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华成英教授的模拟电子课件

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华成英教授的模拟电子课件

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模拟电子技术基础 http:清//5华918大81学218.华qz成one英.q华q成.英cohmch/ya@tsinghua.edu.cn 绪论 一、电子技术的发展 二、模拟信号与模拟电路 三、电子信息系统的组成 四、模拟电子技术基础课的特点 五、如何学习这门课程 六、课程的目的 七、考查方法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、电子技术的发展 电子技术的发展,推动计算机技术的发展,使之“无 孔不入”,应用广泛! • 广播通信:发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电 话、手机 • 网络:路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器 • 工业:钢铁、石油化工、机加工、数控机床 • 交通:飞机、火车、轮船、汽车 • 军事:雷达、电子导航 • 航空航天:卫星定位、监测 • 医学:γ刀、CT、B超、微创手术 • 消费类电子:家电(空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照 相机、电子表)、电子玩具、各类报警器、保安系统 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展 上。从电子管→半导体管→集成电路 1904年 电子管问世 1947年 晶体管诞生 1958年集成电 路研制成功 电子管、晶体管、集成电路比较 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 半导体元器件的发展 • 1947年 • 1958年 • 1969年 • 1975年 贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 大规模集成电路 超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管,而1997年一片集成电路 中有40亿个晶体管。有科学家预测,集成度还将按10倍/6年 的速度增长,到2015或2020年达到饱和。 学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 值得纪念的几位科学家! 第一只晶体管的发明者 (by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab) 他们在1947年11月底发明了晶 体管,并在12月16日正式宣布“晶 体管”诞生。1956年获诺贝尔物理 学奖。巴因所做的超导研究于1972 年第二次获得诺贝尔物理学奖。 第一个集成电路及其发明者 ( Jack Kilby from TI ) 1958年9月12日,在德州仪器公司 的实验室里,实现了把电子器件集成 在一块半导体材料上的构想。42年以 后, 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为 现代信息技术奠定了基础”。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、模拟信号与模拟电路 1. 电子电路中信号的分类 “1”的倍数 数字信号:离散性 介于K与K+1之 间时需根据阈值 确定为K或K+1 “1”的电 压当量 任何瞬间的任何 值均是有意义的  模拟信号:连续性。大多数物理量为模拟信号。 2. 模拟电路  模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。  最基本的处理是对信号的放大,有功能和性能各异的放 大电路。  其它模拟电路多以放大电路为基础。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、电子信息系统的组成 传感器 接收器 隔离、滤 波、放大 运算、转 换、比较 功放 执行机构 模拟电子电路 模拟电子系统 数字电子电路(系统) 模拟-数字混合电子电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、模拟电子技术基础课的特点 1、工程性  实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。  实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。 定量分析为“估算”。  近似分析要“合理”。 抓主要矛盾和矛盾的主要方面。  电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。 2. 实践性  常用电子仪器的使用方法  电子电路的测试方法  故障的判断与排除方法  EDA软件的应用方法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、如何学习这门课程 1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法  基本概念:概念是不变的,应用是灵活的, “万变 不离其宗”。  基本电路:构成的原则是不变的,具体电路是多种 多样的。  基本分析方法:不同类型的电路有不同的性能指标 和描述方法,因而有不同的分析方法。 2. 注意定性分析和近似分析的重要性 3. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题  根据需求,最适用的电路才是最好的电路。  要研究利弊关系,通常“有一利必有一弊”。 4. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 六、课程的目的 本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分 析和设计的学习,使学生获得模拟电子技术方面的基础知 识、基础理论和基本技能,为深入学习电子技术及其在专 业中的应用打下基础。 1. 掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力, 以及将所学知识用于本专业的能力。 注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步 的观念和创新意识,学习科学的思维方法。提倡 快乐学习! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 七、考查方法  1. 会看:读图,定性分析 考查分析问题的能力 2. 会算:定量计算 3. 会选:电路形式、器件、参数 考查解决问题的能力--设计能力 4. 会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA 考查解决问题的能力--实践能力 综合应用所学知识的能力 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第一章 半导体二极管和三极管 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第一章 半导体二极管和三极管 §1.1  半导体基础知识 §1.2  半导体二极管 §1.3  晶体三极管 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §1 半导体基础知识 一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、本征半导体 1、什么是半导体?什么是本征半导体? 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体--铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。 绝缘体--惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体--硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2、本征半导体的结构 共价键 由于热运动,具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。 动态平衡 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升 高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空 穴对的浓度加大。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时,带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电, 且运动方向相反。由于载流子数 目很少,故导电性很差。 温度升高,热运动加剧,载 流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、杂质半导体 1. N型半导体 5 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多 了?少了?为什么? 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多,多子 浓度越高,导电性越强,实现 导电性可控。 磷(P) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. P型半导体 3 硼(B) 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电, 掺入杂质越多,空穴浓度越高, 导电性越强, 在杂质半导体中,温度变化 时,载流子的数目变化吗?少子 与多子变化的数目相同吗?少子 与多子浓度的变化相同吗? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。 P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。 扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低,产生内电场。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn PN 结的形成 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内 电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、 自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态 平衡,就形成了PN结。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn PN 结的单向导电性 PN结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加 剧,由于外电源的作用,形 成扩散电流,PN结处于导通 状态。 P必N要结吗加?反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运 动,有利于漂移运动,形成漂 移电流。由于电流很小,故可 近似认为其截止。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、PN 结的电容效应 1. 势垒电容 PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变 化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相 同,其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电 容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的 过程,其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容: Cj  Cb  Cd 结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定程 度,则失去单向导电性! 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 问题 • 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制 成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂, 改善导电性能? • 为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还 是少子是影响温度稳定性的主要因素? • 为什么半导体器件有最高工作频率? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2 半导体二极管 一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、二极管的组成 将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。 小功率 二极管 大功率 二极管 稳压 二极管 发光 二极管 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、二极管的组成 点接触型:结面积 小,结电容小,故结 允许的电流小,最高 工作频率高。 面接触型:结面积 大,结电容大,故结 允许的电流大,最高 工作频率低。 平面型:结面积可小、 可大,小的工作频率 高,大的结允许的电 流大。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。 i  f (u) u i  IS (eUT 1) (常温下UT  26mV) 击穿 电压 温度的 电压当量 材料 硅Si 锗Ge 开启电压 0.5V 0.1V 导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V 反向饱 开启 和电流 电压 反向饱和电流 1µA以下 几十µA 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 利用Multisim测试二极管伏安特性 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 从二极管的伏安特性可以反映出: 1. 单向导电性 正向特性为 指数曲线 u i  IS (eUT 1) u 若正向电压u  UT,则i  ISeUT 若反向电压 u  UT,则i  IS 2. 伏安特性受温度影响 反向特性为横轴的平行线 T(℃)↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑,U(BR) ↓ 增大1倍/10℃ T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、二极管的等效电路 1. 将伏安特性折线化 导通时△i与△u 成线性关系 理想 二极管 理想开关 导通时 UD=0 截止时IS=0 近似分析 中最常用 导通时UD=Uon 截止时IS=0 应根据不同情况选择不同的等效电路! 100V?5V?1V? ? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 微变等效电路 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极 管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。 ui=0时直流电源作用 根据电流方程,rd  uD iD  UT ID 小信号作用 Q越高,rd越小。 静态电流 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、二极管的主要参数 • 最大整流电流IF:最大平均值 • 最大反向工作电压UR:最大瞬时值 • 反向电流 IR:即IS • 最高工作频率fM:因PN结有电容效应 第四版——P20 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论:解决两个问题 • 如何判断二极管的工作状态? • 什么情况下应选用二极管的什么等效电路? 对V和Ui二极管的模 型有什么不同? iD  V  uD R V与uD可比,则需图解: ID 实测特性 Q uD =V-iR UD 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、稳压二极管 限流电阻 1. 伏安特性 由一个PN结组 成,反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变,为稳定电 斜率? 压。 进入稳压区的最小电流 2. 主要参数 不至于损坏的最大电流 稳定电压UZ、稳定电流IZ 最大功耗PZM= IZM UZ 动态电阻rz=ΔUZ /ΔIZ 若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §1.3 晶体三极管 一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、晶体管的结构和符号 为什么有孔? 小功率管 中功率管 大功率管 多子浓度高 多子浓度很 低,且很薄 面积大 晶体管有三个极、三个区、两个PN结。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、晶体管的放大原理 放大的条件uBE uCB   U (发射结正偏) on 0,即uCE  uB(E 集电结反偏) 少数载流 子的运动 因集电区面积大,在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区 因基区薄且多子浓度低,使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 基区空穴 的扩散 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区 扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极电 流IB,漂移运动形成集电极电流IC。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 电流分配: IE=IB+IC IE-扩散运动形成的电流 IB-复合运动形成的电流 IC-漂移运动形成的电流 直流电流 放大系数   IC IB   iC iB ICEO  (1  )ICBO 交流电流放大系数 穿透电流 集电结反向电流 为什么基极开路集电极回 路会有穿透电流? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 1. 输入特性 iB  f (uBE ) UCE 为什么像PN结的伏安特性? 为什么UCE增大曲线右移? 为什么UCE增大到一定值曲线 右移就不明显了? 对于小功率晶体管,UCE大于1V的一条输入特性曲线 可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 输出特性 iC  f (uCE ) IB 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。 饱和区 iC 放大区 为什么uCE较小时iC随uCE变 化很大?为什么进入放大状态 曲线几乎是横轴的平行线? iB   iC iB UCE 常量 截止区 β是常数吗?什么是理想晶体管?什么情况下    ? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 晶体管的三个工作区域 状态 截止 放大 饱和 uBE <Uon ≥ Uon ≥ Uon iC ICEO βiB <βiB uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE 晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB,即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、温度对晶体管特性的影响 T (℃)  ICEO     uBE不变时iB  ,即iB不变时uBE  华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、主要参数 • 直流参数: 、 、ICBO、 ICEO   IC IE   iC   iE 1  • 交流参数:β、α、fT(使β=1的信号频率) • 极限参数:ICM、PCM、U(BR)CEO 最大集电 极电流 c-e间击穿电压 最大集电极耗散功 率,PCM=iCuCE 安全工作区 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 2.7 PCM  iCuCE uCE=1V时的iC就是ICM   iC iB U CE U(BR)CEO 由图示特性求出PCM、ICM、U (BR)CEO 、β。 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:利用Multisim测试晶体管的输出特性 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三 • 利用Multisim分析图示 电路在V2小于何值时晶 体管截止、大于何值时 晶体管饱和。 以V2作为输入、以节 点1作为输出,采用直流 扫描的方法可得! 约小于0.5V时 截止 描述输出电压与输出电 压之间函数关系的曲线, 称为电压传输特性。 约大于1V时 饱和 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第二章 基本放大电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第二章 基本放大电路 §2.1  放大的概念与放大电路的性能指标 §2.2  基本共射放大电路的工作原理 §2.3  放大电路的分析方法 §2.4  静态工作点的稳定 §2.5  晶体管放大电路的三种接法 §2.6  场效应管及其基本放大电路 §2.7  基本放大电路的派生电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.1 放大的概念与放大电路 的性能指标 一、放大的概念 二、放大电路的性能指标 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、放大的概念 至少一路直流 VCC 电源供电 放大的对象:变化量 放大的本质:能量的控制 判断电路能否放 大的基本出发点 放大的特征:功率放大 放大的基本要求:不失真——放大的前提 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、性能指标 对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。 输出电流 输入电流 信号源 内阻 信号源 输入电压 1. 放大倍数:输出量与输入量之比 输出电压 Auu  Au  U o U i Aii  Ai  Io Ii Aui  U o Ii Aiu  Io U i 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 输入电阻和输出电阻 从输入端看进去的 等效电阻 Ri  Ui Ii 输入电压与 输入电流有 效值之比。 Ro  U ' o Uo Uo  U ( ' o Uo 1)RL RL 将输出等效 成有内阻的电 压源,内阻就 是输出电阻。 空载时输出 电压有效值 带RL时的输出 电压有效值 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 通频带 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 由于电容、电感及放大管PN结的电容效应,使放大电路在信 号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。 下限频率 fbw  fH  fL 上限频率 4. 最大不失真输出电压Uom:交流有效值。 5. 最大输出功率Pom和效率η:功率放大电路的参数 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.2 基本共射放大电路的工作原理 一、电路的组成及各元件的作用 二、设置静态工作点的必要性 三、波形分析 四、放大电路的组成原则 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、电路的组成及各元件的作用 VBB、Rb:使UBE> Uon,且有 合适的IB。 VCC:使UCE≥UBE,同时作为 负载的能源。 Rc:将ΔiC转换成ΔuCE(uo) 。 共射 动态信号作用时:uI  ib  ic  uRc  uCE (uo ) 输入电压ui为零时,晶体管各极的电流、b-e间的电压、 管压降称为静态工作点Q,记作IBQ、 ICQ(IEQ)、 UBEQ、 UCEQ。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、设置静态工作点的必要性 为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零 时有合适的直流电流和极间电压? 输出电压必然失真! 设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但Q点 几乎影响着所有的动态参数! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、基本共射放大电路的波形分析 动态信号 驮载在静 态之上 与iC变化 方向相反 uCE 饱和失真 VCC UCEQ O 底部失真 uCE VCC UCEQ 截止失真 tO t 顶部失真 要想不失真,就要 在信号输的出整和个输入周反期相内! 保证晶体管始终工作 在放大区! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、放大电路的组成原则 • 静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电 路参数。 • 动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负 载上能够获得放大了的动态信号。 • 对实用放大电路的要求:共地、直流电源种类 尽可能少、负载上无直流分量。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 两种实用放大电路:(1)直接耦合放大电路 -+ UBEQ 问题: 将两个电源 有交流损失 有直流分量 1. 两种电源 合二为一 静态时,U BEQ  U Rb1 2. 信号源与放大电路不“共地” 动态时,VCC和uI同时作用 共地,且要使信号 于晶体管的输入回路。 驮载在静态之上 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 两种实用放大电路:(2)阻容耦合放大电路 -+ UBEQ +- UCEQ C1、C2为耦合电容! 耦合电容的容量应足够 大,即对于交流信号近似 为短路。其作用是“隔离 直流、通过交流”。 静态时,C1、C2上电压? U C1  U BEQ,UC2  UCEQ 动态时, uBE=uI+UBEQ,信号驮载在静态之上。 负载上只有交流信号。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.3 放大电路的分析方法 一、放大电路的直流通路和交流通路 二、图解法 三、等效电路法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、放大电路的直流通路和交流通路 通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号 的作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化 分析,将它们分开作用,引入直流通路和交流通 路的概念。 1. 直流通路:① Us=0,保留Rs;②电容开路; ③电感相当于短路(线圈电阻近似为0)。 2. 交流通路:①大容量电容相当于短路;②直 流电源相当于短路(内阻为0)。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 基本共射放大电路的直流通路和交流通路 I =VBB-U BQ Rb BEQ ICQ   IBQ U CEQ  VCC  ICQ Rc VBB越大, UBEQ取不同的 值所引起的IBQ 的误差越小。 列晶体管输入、输出回路方程,将UBEQ作为已知条 件,令ICQ=βIBQ,可估算出静态工作点。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 I =VCC-U BQ Rb BEQ ICQ   IBQ U CEQ  VCC  ICQ Rc 当VCC>>UBEQ时,I BQ  VCC Rb 已知:VCC=12V, Rb=600kΩ, Rc=3kΩ , β=100。 Q=? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、图解法 应实测特性曲线 1. 静态分析:图解二元方程 uBE  VBB  iBRb uCE  VCC  iC Rc Q IBQ 输入回路 负载线 ICQ 负载线 Q IBQ UBEQ UCEQ 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 电压放大倍数的分析 uBE  VBB  uI  iBRb 斜率不变 iC IB  IBQ  iB uI uCE 给定uI  iB  iC  uCE (uO )  Au  uO uI uO与uI反相,Au符号为“-”。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 失真分析 • 截止失真 t 截止失真是在输入回路首先产生失真! 消除方法:增大VBB,即向上平移输入回路负载线。 减小Rb能消除截止失真吗? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 饱和失真 :饱和失真是输出回路产生失真。 Q ''' Q '' Rc↓或VCC↑ Rb↑或 β↓或 VBB ↓ 这可不是 好办法! • 消除方法:增大Rb,减小Rc,减小β,减小VBB,增大VCC。 • 最大不失真输出电压Uom :比较UCEQ与( VCC- UCEQ ),取 其小者,除以 2 。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 1. 用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见 过的共射放大电路。 2. 用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。 3. 画出图示电路的直流通路和交流通路。 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、等效电路法 输入回路等效为 恒压源 • 半利导用体线器性件元的件非建线立性模特型性,使来放描大述电非路线的性分器IBQ析件=复的VB杂特B-R化性Ub 。。BEQ 1. 直流模型:适于Q点的分析 ICQ   IBQ 输出回路等效为电流控制的电流源 U CEQ  VCC  ICQ Rc 理想二极管 利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模型。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 晶体管的h参数等效模型(交流等效模型) 低频小信号模型 • 在交流通路中可将晶体管看成 为一个二端口网络,输入回路、 输出回路各为一个端口。 iuCBE  f f (iB,uCE (iB,uCE ) ) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 在低频、小信号作用下的关系式 duBE  diC   uBE iB iC i UCE B U CE diB diB  uBE uCE IB duCE  iC uCE IB duCE 电阻 无量纲 UIbce   h11Ib h21Ib   h12U ce h22U ce 无量纲 电导 交流等效模型(按式子画模型) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn h参数的物理意义 h11  uBE iB U CE  rbe b-e间的 动态电阻 h12  uBE uCE IB 内反馈 系数 h21  iC iB U CE  电流放大系数 h22  iC uCE iB  1 rce c-e间的电导 分清主次,合理近似!什么情况下h12和h22的作用可忽略不计? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 简化的h参数等效电路-交流等效模型 利用PN结的电流方程可求得 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻 数值小可忽略 rbe  U be Ib  rbb'  rb'e  rbb'  (1  ) UT I EQ 查阅手册 由IEQ算出 在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 放大电路的动态分析 放大电路的 交流等效电路 Ro  Rc Ui  Ii (Rb  rbe )  Ib (Rb  rbe ) U o  Ic Rc Au  U o U i    Rc Rb  rbe Ri  Ui Ii  Rb  rbe 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 阻容耦合共射放大电路的动态分析 Au  U o U i   Ic (Rc ∥ RL ) Ib rbe    RL' rbe Aus  U U o s  U i U s  U o U i  Ri Rs  Ri  Au Ri  Rb ∥ rbe  rbe Ro  Rc 输入电 阻中不 应含有 Rs! 输出电 阻中不 应含有 RL! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 1. 在什么参数、如何变化时Q1→ Q2 → Q3 → Q4? 2. 从输出电压上看,哪个Q点下最易产生截止失真?哪 个Q点下最易产生饱和失真?哪个Q点下Uom最大? 3. 设计放大电路时,应根据什么选择VCC? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二 A u    (Rc ∥ RL ) rbe rbe  rbb'  (1 ) UT I EQ 已知ICQ=2mA,UCES= 0.7V。 1. 在空载情况下,当输 入信号增大时,电路首先出 现饱和失真还是截止失真? 若带负载的情况下呢? 2. 空载和带载两种情况下Uom分别为多少? 3. 在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而 带上负载后这种失真消除? 4. 增强电压放大能力的方法? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:基本共射放大电路的静态分析和动态分析   80 rbb'  200 为什么用 图解法求解 IBQ和UBEQ? Q IBQ≈35μA ICQ  IBQ  2.8mA U CEQ  VC'C  ICQ Rc'  3.8V UBEQ≈0.65V rbe  rbb'  (1   ) UT I EQ  952 Au    (Rc ∥ RL )  11 Rb  rbe Ri  Rb  rbe  11k Ro  Rc  3k 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论四:阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析   80,rbe  1k I BQ  VCC U BEQ Rb  VCC Rb  20μA ICQ  IBQ  1.6mA UCEQ  VCC  ICQ Rc  7.2V Au    (Rc ∥ RL ) rbe  120 Aus  U o U s  U U i s  U o U i  Ri Rs  Ri   (Rc ∥ RL ) rbe  60 Ri  Rb ∥ rbe  rbe  1k Ro  Rc  3k 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论五:波形分析 失真了吗?如何判 断?原因? 饱和 失真 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.4 静态工作点的稳定 一、温度对静态工作点的影响 二、静态工作点稳定的典型电路 三、稳定静态工作点的方法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、温度对静态工作点的影响 T( ℃ )→β↑→ICQ↑→Q’ Q’ ICEO↑ 若UBEQ不变IBQ↑ 若温度升高时要Q’回到Q, 则只有减小IBQ 所谓Q点稳定,是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不 变,这是靠IBQ的变化得来的。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、静态工作点稳定的典型电路 1. 电路组成 直流通路? Ce为旁路电容,在交流 通路中可视为短路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 稳定原理 为了稳定Q点,通常I1>> IB,即 I1≈ I2;因此 U BQ  Rb1 Rb1  Rb2  V CC 基本不随温度变化。 I EQ  U BQ  U BEQ Re 设UBEQ= UBE+ΔUBE,若UBQ- UBE>>ΔUBE,则IEQ稳定。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn Re 的作用 T(℃)↑→IC↑→UE ↑→UBE↓(UB基本不变)→ IB ↓→ IC↓ 关于反馈的一些概念: 将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措 施称为反馈。 直流通路中的反馈称为直流反馈。 反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈,反之称 为正反馈。 IC通过Re转换为ΔUE影响UBE 温度升高IC增大,反馈的结果使之减小 Re起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。 Re有上限值吗? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. Q 点分析 分压式电流负反馈工作点稳定电路 VBB  Rb1 Rb1  Rb2 VCC Rb  Rb1 ∥ Rb2 Rb上静态电压是 否可忽略不计? VBB  IBQ Rb  U BEQ  IEQ Re U BQ  Rb1 Rb1  Rb2 VCC I EQ  U BQ  U BEQ Re 判断方法:Rb1 ∥ Rb2  (1  )Re ? I BQ  I EQ 1  U CEQ  VCC  ICQ Rc  IEQ Re  VCC  IEQ (Rc  Re ) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 动态分析 如何提高电压 放大能力? Au  U o U i   RL' rbe Ri  Rb1 ∥ Rb2 ∥ rbe 无旁路电容Ce时: Ri  Rb1 ∥ Rb2 ∥[rbe  (1  )Re ] Ro  Rc Au  U o U i    Ib (Rc ∥ RL ) Ibrbe  Ie Re   RL' rbe  (1   )R e 利?弊? 若(1   )Re  rbe,则Au   RL' Re 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、稳定静态工作点的方法 • 引入直流负反馈 • 温度补偿:利用对温度敏 感的元件,在温度变化时 直接影响输入回路。 • 例如,Rb1或Rb2采用热敏 电阻。 它们的温度系数? T (℃)  I C  U E  U BE  I B  I C  Rb1  U B  华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点? IS 若采用了措施,则是什么措施? 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.5 晶体管放大电路的三种接 法 一、基本共集放大电路 二、基本共基放大电路 三、三种接法放大电路的比较 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、基本共集放大电路 1. 静态分析 VBB  IBQ Rb  U BEQ  IEQ Re VCC  U CEQ  IEQ Re I BQ  VBB  U BEQ Rb  (1  )Re IEQ  (1  )IBQ U CEQ  VCC  IEQ Re 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 动态分析:电压放大倍数 Au  U o U i  Ib (Rb Ie Re  rbe )  Ie Re  (1  )Re Rb  rbe  (1  )Re Uo< Ui 故称之为射 极跟随器 若(1+)Re  Rb  rbe,则 Au  1,即 Uo  Ui 。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 动态分析:输入电阻的分析 RL Ri  Ui Ii  Ui Ib  Rb  rbe  (1  )Re 从基极看Re,被增 大到(1+β)倍 带负载电阻后 Ri  Rb  rbe  (1  )(Re // RL ) Ri与负载有关! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 动态分析:输出电阻的分析 令Us为零,保留Rs,在输出端加Uo,产生Io, Ro  Uo Io 。  Uo  Ro与信号源内阻有关! 从射极看基极回路电阻,被减 小到(1+β)倍 Ro  Uo Io  Uo I Re  Ie  Uo Uo  (1  ) Uo Re Rb  rbe  Re ∥ Rb  rbe 1  3. 特点:输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电 压;在一定条件下有电压跟随作用! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、基本共基放大电路 1. 静态分析 U BEQ  IEQ Re  VBB ICQ Re  U CEQ U BEQ  VCC I EQ  VBB  U BEQ Re I BQ  I EQ 1  U CEQ  VCC  IEQ Rc  U BEQ 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 动态分析 Au  U o U i  Ic Rc Ie Re  Ibrbe  rbe  Rc  (1  )Re Ri  Re  rbe 1  Ro  Rc 3. 特点: 输入电阻小,频带宽!只放大电压,不放大电流! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、三种接法的比较:空载情况下 接法 Au Ai Ri Ro 频带 共射 大 β 中 大 窄 共集 小于1 1+β 大 小 中 共基 大 α 小 大 宽 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一: 图示电路为哪种基本接法的放大电路?它们的静态工作点 有可能稳定吗?求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和 输出电阻的表达式。 接法 输入 输出 共射 共集 共基 b b e c e c 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二 电路如图,所有电容对交流信号均可视为短路。 1. Q为多少? 2. Re有稳定Q点的作用吗? 3. 电路的交流等效电路? 4. V 变化时,电压放大倍数如何变化? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二 Au   rbe   (Rc ∥ RL ) (1  )(Re ∥ rD ∥ R) 改变电压放大倍数 当Re ∥ R>>rD时, Au    (Rc ∥ RL ) ,V rbe  (1  )rD  rD  Au  清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §2.6 场效应管及其基本放大电 路 一、场效应管 二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法 三、场效应管放大电路的动态分析 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、场效应管(以N沟道为例) 单极型管∶噪声小、抗辐射能力强、低电压工作 场效应管有三个极:源极(s)、栅极(g)、漏极(d), 对应于晶体管的e、b、c;有三个工作区域:截止区、恒流区、 可变电阻区,对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。 1. 结型场效应管 结构示意图 漏极 符号 栅极 导电 沟道 源极 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用 沟道最宽 UGS(off) 沟道变窄 沟道消失 称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加 负电压? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 漏-源电压对漏极电流的影响 uGD>UGS(off) uGD=UGS(off) 预夹断 uGD fL1, fH< fH1,频带变窄! ≈0.643fH1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 多级放大电路的频率响应与各级的关系 对于n级放大电路,若各级的下、上限频率分别为fL1~ fLn、 fH1~ fHn,整个电路的下、上限频率分别为fL、 fH,则    f f L H   f Lk f Hk  fbw  fbwk (k  1,2,, n) 由于    20 lg A u      n k k 1 n 20 lg k 1 A uk 求解使增益下降3dB的频 率,经修正,可得 n  fL  1.1 f 2 Lk k 1  1  1.1 n 1 fH f2 k 1 Hk 1.1为修正系数 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 1. 信号频率为0~∞时电压放大倍数的表达式? 2. 若所有的电容容量都相同,则下限频率等于多少? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 时间常数分析: 分别若考电虑容C值1、均C相2、等C,e、则Cτπ' 所e<确<定τ的1截、止τ频2 率。 C2、Ce短路,Cπ' 开路,求出 1  (Rs  Rb1 ∥ Rb2 ∥ rbe )C1 C1、Ce短路,Cπ' 开路,求出  2  (Rc  RL )C2 C1、C2短路,Cπ' 开路,求出 C1、 C2、 Ce短路,求出 e  (Re ∥ rbe  Rs ∥ 1 R无b1本∥质R区b2 别)Ce  Cπ'  [ rb'e ∥( rbb'  Rs ∥ Rb1 ∥ Rb2 )] C ' π 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二 已知某放大电路的幅频 特性如图所示,讨论下列问 题: Au  ? 1. 该放大电路为几级放大电路? 2. 耦合方式? 3. 在 f =104Hz 时,增益下降多少?附加相移φ’=? 4. 在 f =105Hz 时,附加相移φ’≈? 5. 画出相频特性曲线; 6. fH=? 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:两级阻容耦合放大电路的频率响应 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第六章 放大电路中的反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第六章 放大电路中的反馈 §6.1 反馈的概念及判断 §6.2 负反馈放大电路的方框图及放大倍数的估算 §6.3 交流负反馈对放大电路性能的影响 §6.4 负反馈放大电路的稳定性 §6.5 放大电路中反馈的其它问题 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 本章基本要求 • 会判:判断电路中有无反馈及反馈的性质 • 会算:估算深度负反馈条件下的放大倍数 • 会引:根据需求引入合适的反馈 • 会判振消振:判断电路是否能稳定工作,会消 除自激振荡。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §6.1 反馈的概念及判断 一、反馈的基本概念 二、交流负反馈的四种组态 三、反馈的判断 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、反馈的基本概念 1. 什么是反馈 反馈放大电路可用 方框图表示。 要研究哪些问题? 放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路,影响输入,称为反馈。 怎样引回 是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈 多少 怎样引出 影响放大电路的输入 电压还是输入电流 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 正反馈和负反馈 引入反馈后其变化是增大? 还是减小? 引入反馈后其变化是 增大?还是减小? 从反馈的结果来判断,凡反馈的结果使输出量 的变化减小的为负反馈,否则为正反馈; 或者,凡反馈的结果使净输入量减小的为负反 馈,否则为正反馈。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 直流反馈和交流反馈 直流通路中存在的反馈称为直流反馈,交流通 路中存在的反馈称为交流反馈。 引入交流负反馈 引入直流负反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 局部反馈和级间反馈 只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部 反馈,将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输 入回路的称为级间反馈。 通过R3引入的是局部反馈 通过R4引入的是级间反馈 通常,重点研究级间反馈或称总体反馈。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、交流负反馈的四种组态 1. 电压反馈和电流反馈 描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式,即 反馈网络的取样对象。 将输出电压的一部分或全 部引回到输入回路来影响净 输入量的为电压反馈,即 X o  Uo 将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净 输入量的为电流反馈,即 X o  Io 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 串联反馈和并联反馈 描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式, 即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。 + _ 负反馈 U i  U ' i  U f --串联负反馈 Ii  Ii'  If --并联负反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 四种反馈组态:注意量纲 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 为什么在并 联负反馈电路 中不加恒压源 信号? 为什么在串 联负反馈电路 中不加恒流源 信号? 电流并联负反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、反馈的判断 1. 有无反馈的判断 “找联系”:找输出回路与输入回路的联系,若有则有反 馈,否则无反馈。 有反馈吗? 无反馈 即在输入回路 又在输出回路 将输出电压全 部反馈回去 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 直流反馈和交流反馈的判断 “看通路”,即看反馈是存在于直流通路还是交流通路。 设以下电路中所有电容对交流信号均可视为短路。 仅有直 流反馈 交、直流反馈共存 仅有交流反馈 仅有直 流反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 正、负反馈(反馈极性)的判断 “看反馈的结果” ,即净输入量是被增大还是被减小。 瞬时极性法: 给定 X i的瞬时极性, 并以此为依据分析电路中 各电流、电位的极性从而 得到 X o 的极性; X o 的极性→ X f 的极性→ X i 、X f 、 X ' i 的叠加关系 U ' i  U i  U f 或 Ii'  Ii  If --负反馈 U ' i  Ui  Uf 或 Ii'  Ii  If --正反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 正、负反馈的判断   uD  uI  uF uF  R1 R1  R2  uO  uF  反馈量是仅仅决定于输出量的物理量。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 反馈量仅决定于输出量       反馈电流 净输入电流减小,引入了负反馈 iR2  uN  uO R2 反馈量 净输入电流 增大,引入 了正反馈 在判断集成运放构成的反馈放大电路的反馈极性时,净 输入电压指的是集成运放两个输入端的电位差,净输入电 流指的是同相输入端或反相输入端的电流。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 电压反馈和电流反馈的判断 令输出电压为0,若反馈量随之为0,则为电压反馈; 若反馈量依然存在,则为电流反馈。 电路引入了电压负反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 电压反馈和电流反馈的判断  +  仅受基极电流的控制 反馈电流 电路引入了电流负反馈 引入电压负反馈稳定输出电压,引入电流负反馈稳定 输出电流! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 5. 串联反馈和并联反馈的判断 在输入端,输入量、反馈量和净输入量以电压的方式 叠加,为串联反馈;以电流的方式叠加,为并联反馈。       uF  iN  iI  iF uD  uI  uF 引入了并联反馈 引入了串联反馈 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 分立元件放大电路中反馈的分析 图示电路有无引入反馈?是直流反馈还是交流反馈?是 正反馈还是负反馈?若为交流负反馈,其组态为哪种? 作用? _ 1. 若从第三级射 极输出,则电路引 入了哪种组态的交 + + + + 流负反馈? 2. 若在第三级的 _ uF 射极加旁路电容, _ 则反馈的性质有何 引入了电流串联负反馈 变化? 3. 若在第三级的射极加旁路电容,且在输出端和输入 端跨接一电阻,则反馈的性质有何变化? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 分立元件放大电路中的净输入量和输出电流 • 在判断分立元件反馈放大电路的反馈极性时,净输入 电压常指输入级晶体管的b-e(e-b)间或场效应管gs(s-g)间的电位差,净输入电流常指输入级晶体管 的基极电流(射极电流)或场效应管的栅极(源极) 电流。 • 在分立元件电流负反馈放大电路中,反馈量常取自于 输出级晶体管的集电极电流或发射极电流,而不是负 载上的电流;此时称输出级晶体管的集电极电流或发 射极电流为输出电流,反馈的结果将稳定该电流。 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §6.2 负反馈放大电路的方框 图及放大倍数的估算 一、负反馈放大电路的方框图 二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达式 三、深度负反馈的实质 四、基于反馈系数的放大倍数的估算方法 五、基于理想运放的放大倍数的计算方法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、负反馈放大电路的方框图 负反馈放大电路 的基本放大电路 断开反馈,且 考虑反馈网络 的负载效应 反馈网络 决定反馈量和输出量关系 的所有元件所组成的网络 方框图中信号是单向流通的。 基本放大电路的放大倍数 反馈系数 F  X f X o 反馈放大电路的放大倍数 A  X o X ' i Af  X o X i 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达式 A  X o X ' i F  X f X o Af  X o X i 反馈组态 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 A f  A X ' i X ' i  X f  A X ' i X ' i  FX o  A X ' i X ' i  A F X ' i Af  A 1 A F 功能 A 电压控制电压 U o U ' i F Af Uf Uo Uo Ui 电流控制电压 Uo Ii' If Uo Uo Ii 电压控制电流 Io U ' i Uf Io Io Ui 电流控制电流 Io Ii' If Io Io Ii 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、深度负反馈的实质 A f  1 A  A F 环路放 大倍数 只有A F  0, 电路引入的才为负反馈。 若 1+ A F  1,则 A f  1 F ,即 X i  X f 。 上式说明:在串联负反馈电路中,Ui  Uf 在并联负反馈电路中,Ii  If 在中频段,通常, A 、F、Af 符号相同。 净输入量 忽略不计 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、基于反馈系数的电压放大倍数的估算方法 1. 电压串联负反馈电路 Fuu  U f U o Auuf  U o U i  U U o f  1 Fuu Fuu  U f U o  R1 R1  R2 Auuf  1 Fuu 1 R2 R1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 电压并联负反馈电路 Rif很小 Fiu  If U o 为什么? 为什么? A usf  U o U s  U o Is R s  U o Ii R s  U o If R s  1 Fiu  1 Rs 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 电压并联负反馈电路 Fiu  If U o Ausf  U U o s  1 Fiu 1 Rs iR2  uN  uO R2 令uN=0 Fiu  If U o  1 R2 Ausf  1 Fiu 1 Rs   R2 R1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 电流串联负反馈电流   Fui  U f Io Auf  U o U i  Io  RL' U f  1 Fui  RL'  uF  Fui  U f Io  R1 Auf  1 Fui  RL'  RL R1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 电流并联负反馈电路    Fii  If Io Us  If Rs,U o  Io RL' Ausf  U U o s  1 Fii  RL' Rs Fii  If Io  R2 R1+ R2 Ausf  1 Fii  RL' Rs  (1 R1 ) RL R2 Rs 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 深度负反馈条件下四种组态负反馈放大电路 的电压放大倍数 反馈组态 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 Auf 或 Ausf A uf  U o U i  U o U f  1 Fuu A usf  U o U s  1 Fiu 1 Rs A uf  U o U i  1 Fui  RL' A usf  U o U s  1 Fii  RL' Rs 与负载无关 与总负载成 线性关系 通常,Auf ( Ausf )、A 、F、Af 符号相同。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 求解在深度负反馈条件下电路的电压放大倍数。 _ _ + + + + _ uF _ 比较两电路 F  U f Io  Re1Re3 Re1  Rf  Re3 Auf  U o U i   Re1  Rf  Re1Re3 Re3  (Rc3 ∥ RL ) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二 求解在深度负反馈条件下电路的电压放大倍数。 Auf 1 Rf Re1 Auf  R Rs R 1. 第三级从射极输出; 2. 若在第三级的射极加旁路电容,且在输出端和输 入端跨接一电阻。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、基于理想运放的电压放大倍数的计算方法 1. 理想运放参数特点: 无源网络 Aod=∞,rid=∞, ro=0,fH = ∞,所有失调因素、温漂、噪声均 为零。 2. 理想运放工作在线性区的电路特征:引入交、直流 负反馈 3. 理想运放工作在线性区的特 点 因为uO为有限值, Aod=∞,所以 uN-uP=0,即 uN=uP--虚短路 因为rid=∞,所以 求解放大倍数 的基本出发点 iN=iP=0--虚断路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 利用“虚短”、“虚断”求解电路 uF  uI,iR1  iR2  uI R1 uO  uI R1 (R1  R2 ) Au 1 R2 R1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 利用“虚短”、“虚断”求解电路。 uN  uP  uI,iR 2  iR1  uI R1 iR3  uR1  uR2 R3  (1  R2 R1 )uI R3 iO  iR2  iR3  R1  R2  R1R3 R3  uI Auf  uO uI  iO RL uI  R1  R2  R3 R1R3  RL 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论 - + - - uf + 电流串联负反馈 + Au' f  (R2  R3  R7 )(R7 // RL ) R2 R9 设所有的电容对交流 信号均可视为短路。试说 明电路中是否引入了交流 负反馈;如引入了,则说 明其组态。 - uf + + Auf  ? - 电流串联负反馈 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §6.3 交流负反馈对放大电路 性能的影响 一、提高放大倍数的稳定性 二、改变输入电阻和输出电阻 三、展宽频带 四、减小非线性失真 五、引入负反馈的一般原则 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、提高放大倍数的稳定性 在中频段,放大倍数、反馈系数等均为实数。 Af  A 1  AF dAf  1 d A (1  AF ) 2 d Af  dA (1  AF )2 dAf  1  dA Af 1  AF A 说明放大倍数减小到基本放大电路的 1 , 1+AF 放大倍数的稳定性是基本放大电路的(1+AF)倍。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、改变输入电阻和输出电阻 1. 对输入电阻的影响 对输入电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输 入端的接法有关,即决定于是串联反馈还是并联反馈。 引入串联负反馈时 Ri  U ' i Ii Rif  Ui Ii  U ' i Uf Ii  U ' i  AFU ' i Ii Rif  (1  AF ) Ri 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 串联负反馈对输入电阻影响的讨论     uF  引入串联负反馈,对图示两电路的输入电阻所产生的 影响一样码? Rb1支路在引入反馈前后对输入电阻的影响有无变化? 引入串联负反馈,使引入反馈的支路的等效电阻增大 到原来的(1+AF)倍。 R ' if  (1  AF ) R ' i 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 引入并联负反馈时 Ri  Ui I ' i Rif  Ui Ii  Ui I ' i  If  Ui I ' i  AFI ' i R if  Ri 1  AF 串联负反馈增大输入电阻,并联负反馈减小输入电阻。 在(1 AF )  时 引入串联负反馈 Rif (或Ri'f )  , 引入并联负反馈 Rif  0。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2、对输出电阻的影响 对输出电阻的影响仅与反馈网络和基本放大电路在输出端 的接法有关,即决定于是电压反馈还是电流反馈。 引入电压负反馈时 电压负反馈稳定输出电压,使输出具有恒压特性,因而 输出电阻减小。 R of  Ro 1  AF 引入电流负反馈时 电流负反馈稳定输出电流,使输出具有恒流特性,因而 输出电阻增大。 Rof  (1  AF ) Ro 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 电流负反馈对输出电阻影响的讨论 Rc2支路在引入反馈前后对输出电阻的影响有无变化? 引入电流负反馈,使引出反馈的支路的等效电阻增大到原 来的(1+AF)倍。 R ' of  (1  AF ) R ' o 在(1 AF )  时 引入电压负反馈 Rof  0; 引入电流负反馈 Rof (或Ro' f )  。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、展宽频带:设反馈网络是纯电阻网络 20 lg A O fLf fL 可推导出引入负 反馈后的截止频 率、通频带 引入负反馈后的幅频特性 20 lg1 A F f fH fHf fHf  (1 AF ) fH f Lf  fL 1 AF fbwf  (1 AF ) fbw Af  1 A  A F A L  A m 1 fL jf A H  A m 1 j f fH 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、减小非线性失真 由于晶体管输入特性的非线性, 当b-e间加正弦波信号电压时,基 极电流的变化不是正弦波。 可以设想,若加在b-e之间 的电压正半周幅值大于负半 周的幅值,则其电流失真会 减小,甚至为正弦波。 近似 正弦波 非正弦波 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、减小非线性失真 设基本放大电路的输出信号与输入信号同相。 净输入信号的正半周幅值小于 负半周幅值 可以证明,在引入负反馈前 后输出量基波幅值相同的情况 下,非线性失真减小到基本放 大电路的1/(1+AF )。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、引入负反馈的一般原则 • 稳定Q点应引入直流负反馈,改善动态性能应引入交流负 反馈; • 根据信号源特点,增大输入电阻应引入串联负反馈,减小 输入电阻应引入并联负反馈; • 根据负载需要,需输出稳定电压(即减小输出电阻)的应 引入电压负反馈,需输出稳定电流(即增大输出电阻)的 应引入电流负反馈; • 从信号转换关系上看,输出电压是输入电压受控源的为电 压串联负反馈,输出电压是输入电流受控源的为电压并联 负反馈,输出电流是输入电压受控源的为电流串联负反 馈,输出电流是输入电流受控源的为电流并联负反馈; 当(1+AF) >>1时,它们的转换系数均约为1/F。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 • 为减小放大电路从信号源索取的电流,增强 带负载能力,应引入什么反馈? • 为了得到稳定的电流放大倍数,应引入什么 反馈? • 为了稳定放大电路的静态工作点,应引入什 么反馈? • 为了使电流信号转换成与之成稳定关系的电 压信号,应引入什么反馈? • 为了使电压信号转换成与之成稳定关系的电 流信号,应引入什么反馈? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二 + - - + 电流反馈 + + uF - 并联反馈 串联反馈 电压反馈 试在图示电路中分别引入四种不同组态的交流负反馈。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三 在图示电路中能够引入哪些组态的交流负反馈?  ④   ①  ② ③  只可能引入电压并联或电流串联两种组态的交流负反馈。 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §6.4 负反馈放大电路的稳定性 一、自激振荡产生的原因及条件 二、负反馈放大电路稳定性的分析 三、负反馈放大电路稳定性的判断 四、消除自激振荡的方法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、自激振荡产生的原因及条件 1. 现象:输入信号为0时,输出有一定幅值、一 定频率的信号,称电路产生了自激振荡。 负反馈放大电路自激振荡的频率在低频段或高频段。 低频 干扰 或产 生了 轻微 低频 振荡 实验 波形 高频 干扰 或产 生了 轻微 高频 振荡 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 原因 在低频段或高频段,若存在 一个频率f0,且当 f= f0 时附加 相移为±π,则 X ' i  X i  X f 在电扰动下,如合闸通电,必含有频率为f0的信号,对于 f = f0 的信号,产生正反馈过程 X o  X f  X ' i  X o  输出量逐渐增大,直至达到动态平衡,电路产生了自激 振荡。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 自激振荡的条件 X i  0 时,X o维持X o X o   A FX o 幅值平衡条件 相位平衡条件 A F=  1  A F  1  A  F  (2n  1)π (n为整数 ) 由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的 过程,起振条件为 A F  1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、负反馈放大电路稳定性的分析 设反馈网络为电阻网络,放大电路为直接耦合形式。 ①附加相移由放大电路决定; ②振荡只可能产生在高频段。 对于单管放大电路: f   时,  ' A  90 ,A 0 因没有满足相位条件的频率,故引入负反馈后不可能振荡。 对于两级放大电路: f   时,  ' A  180 ,A 0 因没有满足幅值条件的频率,故引入负反馈后不可能振荡。 对于三级放大电路: f   时,  ' A  270 ,A 0 对于产生-180º附加相移的信号频率,有可能满足起振条件, 故引入负反馈后可能振荡。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 什么样的放大电路引入负反馈后容易产生 自激振荡? 三级或三级以上放大电路引入负反馈后有可能产 生高频振荡;同理,耦合电容、旁路电容等为三个 或三个以上的放大电路,引入负反馈后有可能产生 低频振荡。 环路放大倍数AF越大,越容易满足起振条件,闭 环后越容易产生自激振荡。 放大电路的级数越多,耦合电容、旁路电 容越多,引入的负反馈越深,产生自激振荡 的可能性越大。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、负反馈放大电路稳定性的判断 已知环路增益的频率特性来判断闭环后电路的稳定性。 使环路增益下降到0dB的频率,记作fc; 使φA+φF=(2n+1)π 的频率,记作f0。 fc fc f0 f0 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 稳定性的判断 当Gm≤-10dB且φm>45º, 才具有可靠的稳定性。 满足起 振条件 不满足 起振条件 fc f0 幅值 fc 裕度 Gm f0 φm 电路不稳定 电电路路稳稳定定 相位裕度 f0< fc,电路不稳定,会产生自激振荡; f0 > fc, 电路稳定,不会产生自激振荡。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、消除自激振荡的方法 常用的方法为滞后补偿方法。 设放大电路为直接耦合方式,反馈网络为电阻网络。 1. 简单滞后补偿 .. 20lg│AF│ -20dB/十倍频 -40dB/十倍频 A F  Am Fm (1 j f )(1 j f )(1 j f ) f H1 f H2 f H3 在最低的上限频率所在回 路加补偿电容。 补偿电容 -60dB/十倍频 O f f ' H1 fH1 fH2 fH3 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 1. 简单滞后补偿 A F  Am Fm (1  j f f ' H1 )(1  j f f H2 )(1  j f f H3 ) 补偿后,当 f  fH2时,20 lg A F  0dB。 补偿前 补偿后 最大附加相 移为-135° 滞后补偿法是 以频带变窄为代 价来消除自激振 荡的。 具有45°的相位 裕度,故电路稳定 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 密勒补偿 等效变换 C' 补偿电容 在最低的上限频率所在 放大电路中加补偿电容。 补偿前 C'  (1 k )C 在获得同样补偿的 情况下,补偿电容比 简单滞后补偿的电容 小得多。 补偿后 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. RC 滞后补偿:在最低的上限频率所在回路加补偿。 A F  Am Fm (1 j f )(1 j f )(1 j f ) f H1 f H2 f H3 补偿电路 补偿后产生系数: 1 j f f ' H 2 ,取代 1 1 j f f ' H1 1 j f f H1 若 f ' H 2  f H ,则 2 A F  (1  j A m Fm f f ' H1 )(1  j f ) f H3 上式表明,最大附加相移为-180º,不满足起振条件,闭 环后一定不会产生自激振荡,电路稳定。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn RC 滞后补偿与简单滞后补偿比较 补偿前 简单补偿后 的幅频特性 RC滞后补偿后 的幅频特性 滞后补偿法消振均以频带变窄为代价,RC滞后补偿较简 单电容补偿使频带的变化小些。 为使消振后频带变化更小,可考虑采用超前补偿的方法。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论 判断电路引入负反馈后有可能产生自激振荡吗? 如可能,则应在电路的哪一级加补偿电容? 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §6.5 放大电路中反馈的其它问题 一、放大电路中的正反馈 二、电流反馈型集成运放 三、方框图法解负反馈放大电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、放大电路中的正反馈 引入的正、负反馈目标应   一致。   uf 正反馈 负反馈 两路反馈要分别分析! 自举电路:通过引入正反 馈,增大输入电阻,因而提 高输入电压。 iR3  Ui Uo R3  (1 Au )Ui R3 R3'  Ui iR3  1 R3  Au 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、电流反馈型集成运放 1. 电流模技术 信号传递过程中除与晶体管b-e间电压有关外,其余各 参量均为电流量的电路称为电流模电路。 电流源电路可按比例传输电流,故称为电流模电路的单 元电路。 iO  iI 优点: (1)只要uCE2>UCES,iO就仅受ICM限制。 (2) iO与iI具有良好的线性关系,不受晶体 管非线性特性的影响。 (3)极间电容有低阻回路,电路上限频率 高。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 由电流反馈型集成运放组成的负反馈放大电路的 频率响应 A u   R2 R1 1 1 j f fH ( fH  1 ) 2πR2C 改变R1可改变增益,但上 限频率不变,即频带不变, 带宽增益积不是常量。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、方框图法解负反馈放大电路 首先求出负反馈放大电路的基本放大电路及其动态参数、 反馈网络和反馈系数,然后求解负反馈放大电路的动态参 数,过程如下: A 、Ri、Ro、fL、fH、fbw  1 A F  Af、Rif、Rof、fLf、fHf、fbwf  F 1. 基本放大电路的求解方法:见第三版6.3.4节,其动态参数 的求解方法见3.2节。 2. 反馈网络及反馈系数的求解方法:见6.4节。 3. 负反馈放大电路动态参数的求解方法:见6.5节。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论 R3 R1 uI 1k A1 100k R2 1k A2 uo R4 1k R5 10k R6 1k 1. 引入了哪种组态的交流负反馈?深度负反馈条件下的 电压放大倍数≈?输入电阻≈?输出电阻≈? 2. 若uI=1V,则在正常情况下和R2、 R3、 R5、 R6分别出 现短路、断路情况下uO=? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn R1 R5 uI +VCC R3 R2 A VT 1 VT 2 uO R4 V EE 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第七章 信号的运算和处理 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第七章 信号的运算和处理 §7.1 集成运放组成的运算电路 §7.2 模拟乘法器及其在运算电路中的应用 §7.3 有源滤波电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 电子信息系统 第七章 第八章 信号的产生 A/D转换 传感器 接收器 隔离、滤 波、放大 运算、转 换、比较 功放 第九章 执行机构 电子信息系统 的供电电源 第十章 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §7.1 集成运放组成的运算电路 一、概述 二、比例运算电路 三、加减运算电路 四、积分运算电路和微分运算电路 五、对数运算电路和指数运算电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、概述 1. 理想运放的参数特点 Aod、 rid 、fH 均为无穷大,ro、失调电压及其温漂、失 调电流及其温漂、噪声均为0。 2. 集成运放的线性工作区: uO=Aod(uP- uN) 电路特征:引入电压负反馈。 无源网络 因为uO为有限值, Aod=∞, 所以 uN-uP=0,即 uN=uP…………虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0………虚断路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 研究的问题 (1)运算电路:运算电路的输出电压是输入电压某种 运算的结果,如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微 分、对数、指数等。 (2)描述方法:运算关系式 uO=f (uI) (3)分析方法:“虚短”和“虚断”是基本出发点。 4、学习运算电路的基本要求 (1)识别电路; (2)掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、比例运算电路 1. 反相输入 + iN=iP=0, uN=uP=0--虚地 在节点N: iF  iR  uI R _ uO  iFRf   Rf R  uI 1) 电路引入了哪种组态的负反馈? 2) 电路的输入电阻为多少? 保证输入级的对称性 3) R’=?为什么? R’=R∥Rf 4) 若要Ri=100kΩ,比例系数为-100,R1=? Rf=? Rf太大,噪声大。如何利用相对小 的电阻获得-100的比例系数? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn T 形反馈网络反相比例运算电路 利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。 i2  i1  uI R1 uM   R2 R1  uI uO  uM  (i2  i3 )R4 i3   uM R3 uO   R2  R4 R1 (1  R2 ∥ R3 R4 )  uI 若要求Ri  100k,则R1  ? 若比例系数为 100,R2  R4  100k,则R3  ? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 同相输入 uN  uP  uI uO  (1  Rf R ) uN uO  (1  Rf R ) uI 1) 电路引入了哪种组态的负反馈? 2) 输入电阻为多少? 3) 电阻R’=?为什么? 4) 共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗?为什么? 运算关系的分析方法:节点电流法 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 同相输入比例运算电路的特例:电压跟随器 uO  uN  uP  uI 1) F  ? 2) Ri  ? Ro  ? 3) uIc  ? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、加减运算电路 1. 反相求和 方法一:节点电流法 uN  uP  0 iF  iR1  iR2  iR3  uI1  uI2  uI3 R1 R2 R3 uO  iFRf   Rf ( uI1 R1  uI2 R2  uI3 ) R3 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 1. 反相求和 方法二:利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压,然后将所 有结果相加,即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。 同理可得 uO2   Rf R2  uI2 uO1   Rf R1  uI1 uO3   Rf R3  uI3 uO  uO1  uO2  uO3   Rf R1  uI1  Rf R2  uI2  Rf R3  uI3 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 同相求和 设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf 利用叠加原理求解: 令uI2= uI3=0,求uI1单独 作用时的输出电压 uO1  (1  Rf R ) R2 ∥ R3 ∥ R4 R1  R2 ∥ R3 ∥ R4  uI1 同理可得, uI2、 uI3单独作用时的uO2、 uO3,形式与 uO1相同, uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意义清楚,计算麻烦! 在求解运算电路时,应选择合适的方法,使运算结果 简单明了,易于计算。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 同相求和 设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf i1  i2  i3  i4 uI1  uP  uI2  uP  uI3  uP  uP R1 R2 R3 R4 必不可 少吗? uI1 R1  uI2 R2  uI3 R3 ( 1 R1  1 R2  1 R3  1 R4 )uP uP  RP ( uI1 R1  uI2 R2  uI3 ) R3 (RP  R1 ∥ R2 ∥ R3 ∥ R4 ) uO  (1 Rf R ) uP  R  Rf R  RP ( uI1 R1  uI2 R2  uI3 )  Rf R3 Rf uO  Rf  ( uI1 R1  uI2 R2  uI3 ) R3 与反相求和运算电路 的结果差一负号 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 加减运算 利用求和运算电路的分析结果 设 R1∥ R2∥ Rf= R3∥ R4 ∥ R5 uO  Rf  (uI3 R3  uI4 R4  uI1 R1  uI2 R2 ) 若R1∥ R2∥ Rf≠ R3∥ R4 ∥ R5,uO=? uO  Rf R  (uI2  uI1) 实现了差分 放大电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一:电路如图所示 (1)组成哪种基本运算电路?与用一个运放组成的 完成同样运算的电路的主要区别是什么? (2)为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不 考虑第二级电路对它的影响? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:求解图示各电路 iO  f (uI )  ? uO  f (uI )  ? Ri  ? Ro  ? 该电路可等效成差分放 大电路的哪种接法?与该 接法的分立元件电路相比 有什么优点? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、积分运算电路和微分运算电路 1. 积分运算电路 iC  iR  uI R  uO  uC   1 C uI dt R  uO   1 RC uIdt  uO   1 RC t2 t1 uIdt  uO (t1 ) 若uI在t1~t2为常量,则 uO   1 RC  uI (t2  t1)  uO (t1) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 利用积分运算的基本关系实现不同的功能 1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形? 2) 输入为方波时的输出电压波形? 3) 输入为正弦波时的输出电压波形? 线性积分,延时 波形变换 移相 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 方波变三角波 R2的作用? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 微分运算电路 虚地 为了克服集成运 放的阻塞现象和自 激振荡,实用电路 应采取措施。 运放由于某种原因 进入非线性区而不 能自动恢复的现象 iR  iC  C duI dt uO  iR R  RC duI dt 限制输出 电压幅值 滞后补偿 限制输 入电流 怎么识别微分运算 电路? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 五、对数运算电路和指数运算电路 1. 对数运算 iCi R  uI R uBE iC ISe UT 利用PN结端电 压与电流的关系 实际 极性 uO  uBE  U T ln uI ISR 实用电路中常常采取措施 消除IS对运算关系的影响 对输入电压的极性和幅值有何要求? ICM限制其值 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 集成对数运算电路 iC1  iI  uI R3  uBE1 ISe UT uBE1  UT ln uI I S R3 同理,uBE2 UT ln IR IS 热敏电阻?温度系数为正?为负? uN2  uP2  uBE2  uBE1  U T ln uI I R R3 UT  kT q uO  (1  R2 R5 )uN2  (1  R2 R5 )U T ln uI I R R3 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 指数运算电路 uI  uBE uI iR  iE  ISeUT uI uO  iR R  ISReUT 对输入电压的极性和幅值有何要求? 3. 乘法、除法运算电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §7.2 模拟乘法器及其在 运算电路中的应用 一、模拟乘法器简介 二、在运算电路中的应用 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、模拟乘法器简介 1. 变跨导型模拟乘法器的基本原理 uO  (iC1  iC2 )Rc  gm RcuX gm  I EQ UT  I 2U T I  uY  uBE3 Re 若uY  uBE3,则gm  uY 2UT Re uO  Rc 2UT Re  uXuY 实际电路需在多方面改进,如线性度、温度的影响、 输入电压的极性等方面。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 模拟乘法器的符号及等效电路 uO  kuXuY 理想情况下,ri1、 ri2、fH为 无穷大, 失调电压、电流及其 温漂为0,ro为0, ux 、uy 幅值 和频率变化时 k 值不变。 有单象限、两象限和四象限 之分。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、在运算电路中的应用 1. 乘法运算 2.乘方运算 uO  kuI1uI2 实际的模拟乘法器k常为 +0.1V-1或-0.1V-1。 若k= +0.1V-1,uI1= uI2=10V, 则 uO=10V。 uO  kuI2 实现了对正弦波 若uI  2Ui sin  t 电压的二倍频变换 则uO  2 kU 2 i sin 2  t  2 kU 2 i (1  cos2 t) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 除法运算 运算电路中集成运放必须引入负反馈!   i2  i1 uO   R2 R1  uI1 kuI2 为使电路引入的是负反馈, k和uI2的极性应如何? i1  i2 uI1   uO' R1 R2 条件: 同极性 uO'   R2 R1  uI1  k uI2 uO 若集成运放的同相输入端与 反相输入端互换,则k和uI2的 极性应如何? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 开方运算 uO'   R2 R1  uI  kuO2 uO   R2 kR1  uI 为实现上式,电路中uI、 uO、k的极性是什么?为什么? 若要uO<0,则有何变化? 若要求uI、 uO均大于0,则有何变化? 若集成运放的负反馈通路中为某种运算电路,则整个电 路实现其逆运算! 如何实现开三次方运算电路? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论  _ +  + _ 1) 标出集成运放的“+”和“-”; 2) 求解uO= f (uI) = ?  已知R1=R2,求解uO= f (uI) = ? 二极管什么时候导通?什么 时候截止? uO  uI 在集成运放应用电路中开关管的工作状态往往决定于输入 信号或输出信号的极性!清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §7.3 有源滤波电路 一、概述 二、低通滤波器 三、高通、带通、带阻滤波器 四、状态变量型滤波器 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、概述 1. 滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过,其它频率的信号被衰减。 2. 滤波电路的种类 低通滤波器(LPF) 通带放大倍数 理想幅频特性 无过渡带 通带截止频率 下降速率 用幅频特性描述滤波特性,要研究 Aup、Au ( fP、下降速率)。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 理想滤波器的幅频特性 高通滤波器(HPF) 阻容耦合 带通滤波器(BPF) 通信电路 带阻滤波器(BEF)) 抗已知频率的干扰 全通滤波器(APF)) f-φ转换 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 无源滤波电路和有源滤波电路 空载时 带负载时 空载:Aup  1 fp  1 2πRC Au 1 1 j f fp 带载:Aup  R RL  RL 负载变化,通 带放大倍数和截 止频率均变化。 fp  2π 1 (R ∥ RL )C Au  Aup 1 j f fp 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 有源滤波电路 用电压跟随 器隔离滤波电 路与负载电阻 无源滤波电路的滤波参数随负载变化;有源滤波电路的 滤波参数不随负载变化,可放大。 无源滤波电路可用于高电压大电流,如直流电源中的滤 波电路;有源滤波电路是信号处理电路,其输出电压和电 流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。 4. 教学基本要求:电路的识别,幅频特性的分析计算 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、低通滤波器 1. 同相输入 (1)一阶电路 Aup 1 R2 R1 fp  1 2πRC Au  Aup 1 j f fp 频率趋于0时的放大 倍数为通带放大倍数 决定于RC环节 表明进入高频段 的下降速率为 -20dB/十倍频 经拉氏变换得 传递函数: Au (s)  U o (s) Ui (s)  (1  Rf R1 ) R 1 sC  1 sC  (1  R2 R1 ) 1 1 sRC 求解传递函数时,只需将放大倍数中的 jω用 s 取代即可; s 的方次称为阶数。 一阶电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 1. 同相输入 (1)一阶电路:幅频特性 Aup 1 R2 R1 Au  Aup 1 j f fp ( fp  1 ) 2πRC 为了使过渡带变窄,需 采用多阶滤波器,即增加 RC环节。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn (2)简单二阶LPF 分析方法:电路引入了负反馈,具有“虚短”和“虚断”的特 点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。 C1=C2 1 ∥(R  1 ) U M  R jC1 [ 1 jC2 ∥(R  1 U i )] jC1 jC1 1 ) U P  jC2 R 1 U M jC2 Au  (1 R2 ) R1 1 ( f 1 )2  3j f f0 f0 特征频率 f0  1 2π RC 截止频率 fp ≈ 0.37f0 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn (3)压控电压源二阶LPF 为使 fp=f0,且在f=f0时幅频特性按-40dB/十倍频下降。 C1 =C2 f→0时,C1断路,正反馈 断开,放大倍数为通带放大 倍数。 f →∞, C2短路,正反馈 不起作用,放大倍数→0 。 引入正反馈 因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。 对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 压控电压源二阶LPF的分析 列P、M点的节点电流方程, 整理可得: Au  1 ( f f0 )2 A up  j[3  Aup ] f f0 Au  f  f0 A up 3  Aup  Q Aup Q  Au f  f0 Aup 当 2  Aup  3 时,Au f  f0  Aup 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 反相输入低通滤波 器 需有电阻构成的 负反馈网络来确定 通带放大倍数。 20lg  R2 R1 fH 积分运算电路的电压放大倍数为 A u  1 ,即 j R1C f  0,Au  。 加R2后 Au   R2 R1 1 1 j f ,fp  f0  1 2πR2C f0 Aup   R2 R1 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、高通、带通、带阻有源滤波器 1. 高通滤波器(HPF) 与LPF有对偶性,将LPF的电阻和电容互换,就可得一阶 HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。 2. 带通滤波器(BPF) 3. 带阻滤波器(BEF) O fH<fL fH>fL O O 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 • 频率趋于零,电压放大倍数趋于通带放大倍数 的滤波器有哪几种? • 频率趋于无穷大,电压放大倍数趋于通带放大 倍数的滤波器有哪几种? • 频率趋于零,电压放大倍数趋于零的滤波器有 哪几种? • 频率趋于无穷大零,电压放大倍数趋于零的滤 波器有哪几种? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、状态变量型滤波器 要点: • 将比例、积分、求和等基 本运算电路组合成自由设 置传递函数、实现各种滤 波功能的电路,称为状态 变量型滤波器。 • 通带放大倍数决定于电阻 组成的负反馈网络。 • 利用“逆运算”方法。 R6 将低通环节加在负反馈通路来实现高通。 Aup 1 R6 R4 f→ ∞时C 相当于短路,A2输出电压→0,电路开环, A1 输出电压→±UOM,工作到非线性区;需引入负反馈决定通 带放大倍数。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二阶状态变量滤波器的组成 R5 高通 U o1 ( s) 带通 Uo2 (s) R6 低通 Uo3 (s) 通带放大倍数决定一个电阻 组成的负反馈网络。 带阻 Uo4 (s) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 运算电路与有源滤波器的比较 • 相同之处 – 电路中均引入深度负反馈,因而集成运放均工作在 线性区。 – 均具有“虚短”和“虚断”的特点,均可用节点电流法 求解电路。 • 不同之处 – 运算电路研究的是时域问题,有源滤波电路研究的 是频域问题;测试时,前者是在输入信号频率不变 或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅 值的关系,后者是在输入电压幅值不变的情况下测 量输出电压幅值与输入电压频率的关系。 – 运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的 关系,有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述 滤波特性。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:图示电路是哪种有源滤波器? 双T网络 f0  1 2πRC Uo  U o1 Ui f  0,Au  ? f  ,Au  ? A1、A2各组成什么电hc路hy清a?@华t大sin学gh华ua成.电e英du路.cn 为L华P成F英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三: 通过MultisimAC分析判断图示电路为哪种有源滤波器? 设R1=R3=10kΩ,C=1000pF。 通带截止频率 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第八章 波形的发生和信号的转换 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第八章 波形的发生和信号的转换 §8.1  正弦波振荡电路 §8.2  电压比较器 §8.3  非正弦波发生电路 §8.4  信号的转换 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §8.1 正弦波振荡电路 一、正弦波振荡的条件和电路的组成 二、RC正弦波振荡电路 三、LC正弦波振荡电路 四、石英晶体正弦波振荡电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、正弦波振荡的条件和电路的组成 1. 正弦波振荡的条件 无外加信号,输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路振荡的不同之处:在正弦波振荡电路 中引入的是正反馈,且振荡频率可控。 在电扰动下,对于某一特定频率f0的信号形成正反馈: Xo  X ' i  Xo  由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制,最 终达到动态平衡,稳定在一定的幅值。。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 1. 正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡,则 电路的输出量自维持,即 X o  A FX o A F  1    A F 1 A  F  2nπ 幅值平衡条件 相位平衡条件 起振条件: A F  1 要产生正弦波振荡,必须有满足相位条件的f0,且在 合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程, 即满足起振条件。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 起振与稳幅:输出电压从幅值很小、含有丰富频率, 到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。 很多种频率 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 频率逐渐变 为单一 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 振幅越来越大 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 趋于稳幅 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 起振与稳幅 电路如何从起振到稳幅? A F  1 Xo Xo 稳定的 振幅 o FA 非线性环节 的必要性! Xf (Xi) A F A F 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 基本组成部分 1) 放大电路:放大作用  2) 正反馈网络:满足相位条件 常合二为一 3) 选频网络:确定f0,保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节(稳幅环节):稳幅 4、分析方法 1) 是否存在主要组成部分; 2) 放大电路能否正常工作,即是否有合适的Q点,信号是否可 能正常传递,没有被短路或断路; 3) 是否满足相位条件,即是否存在 f0,是否可能振荡 ; 4) 是否满足幅值条件,即是否一定振荡。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 相位条件的判断方法:瞬时极性法  U i  极性? 在多数正弦波振荡电路 中,输出量、净输入量和 反馈量均为电压量。 断开反馈,在断开处给放大电路加 f=f0的信号Ui,且规 定其极性,然后根据 Ui的极性→ Uo的极性→ Uf的极性 若Uf与Ui极性相同,则电路可能产生自激振荡;否则电路不 可能产生自激振荡。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 5. 分类 常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路:1兆赫以下 2) LC正弦波振荡电路:几百千赫~几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路:振荡频率稳定 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、RC 正弦波振荡电路 1. RC串并联选频网络 低频段 . . I Uf . Uo 高频段 在频率从0~∞ 中必有一个频率 f0,φF=0º。 f  0,Uf  0,F  90 . I . Uo . Uf f  ,Uf  0,F  90 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn RC串并联选频网络的频率响应 F  U U f o  R R ∥ 1 j C 1 +R ∥ 1 j C j C F  3  j( 1 RC   1 RC ) 令f0  1 ,则F 2π RC  3 j( 1 f  f0 ) f0 f 当 f=f0时,不但φ=0,且 F 最大,为1/3。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 电路组成 不符合相位条件 不符合幅值条件 1)是否可用共射放大电路? 2)是否可用共集放大电路? 3)是否可用共基放大电路? 4)是否可用两级共射放大电路? 输入电阻小、输出 电阻大,影响f0 可引入电压串联负反馈,使 电压放大倍数大于3,且Ri大、 Ro小,对f0影响小 应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电 阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. RC 桥式正弦波振荡电路(文氏桥振荡器) 用同相比例运算电路作放大电路。 Rf  2R1 以因RC同串相并比联例网运络算为电选路频有网非络常和好正的反馈网络、并引入电 压压线加串,性二联一度极负对,管反顶故作馈点为R,作非或两为线个放R性f 网大用环络电热节构路敏。成的电桥净阻路输,,入或一电对压顶,文器点就氏的作构桥特为成振点输文荡?出氏电桥 振荡器。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调,改变电 位器滑动端以微调。 加稳压管可以限制输出电 压的峰-峰值。 同轴 电位器 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一:合理连接电路,组成文氏桥振荡电路       华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗? RC 移项式电路 RC 双T选频网络 正反馈  网络   U i    选频 网络 1) RC 移相电路有几级才 可能产生正弦波振荡? 2) 若R 和C 互换呢? 选频网络和正反馈 网络是两个网络。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、LC 正弦波振荡电路 1. LC并联网络的选频特性 理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性,且 阻抗无穷大。 谐振频率为 f0  2 π 1 LC 在损耗较小时,品质因数及谐振频率 损耗 Q 1 R L,f C 0  2 π 1 LC 在f=f0时,电容和电感中电流各约为多少?网络的电 阻为多少? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn LC选频放大电路→正弦波振荡电路 放大电路 反馈网络 当 f=f0时,电 压放大倍数的数 值最大,且附加 相移为0。 共射电路 φA=-π 附加相移 构成正弦波 Uo 振荡电路最简 单的做法是通 过变压器引入 反馈。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 变压器反馈式电路  U f     Ui ( f  f0)  为什么用分立 元件放大电路 必须有合适的同铭端! 分析电路是否可能产生正弦 波振荡的步骤: 1) 是否存在四个组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件 4) 是否可能满足幅值条件 C1是必要的吗? 特点: 易振,波形较好;耦合不紧 密,损耗大,频率稳定性不高。 为使N1、N2耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈式 电路。 如何组成? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 电感反馈式电路  Uf     Ui ( f  f0 )  必要吗? 反馈电压取自哪个线圈? 反馈电压的极性? 电路特点? 电感的三个抽头分别接晶 体管的三个极,故称之为电 感三点式电路。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 电感反馈式电路 特点:耦合紧密,易振,振 幅大,C 用可调电容可获得 较宽范围的振荡频率。波形 较差,常含有高次谐波。 因为放大电路的输入电 阻就是它自身的负载,故A 与F 具有相关性;若增大 N1,则 A 增大,F 减小。 由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波形中含高 次谐波,为使振荡波形好,采用电容反馈式电路。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 电容反馈式(电容三点式)电路 作用?  f0  2π 1 L  C1C2 (C1  C2 )  若C  C1且C  C2,则 U i   U f    f0  2π 1 LC C 与放大电路参数无关 若要振荡频率高,则L、C1、C2的取值就要小。当电容减 小到一定程度时,晶体管的极间电容将并联在C1和C2上,影 响振荡频率。 特点:波形好,振荡频率调整范围小,适于频率固定的场合。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点 SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。 压电效应和压电振荡:机械变形和电场的关系 固有频率只决定于其几何尺寸,故非常稳定。 感性 因C  C0,故 阻性 fs  fp  2π 1 LC 容性 一般LC选频网络的Q为几百,石英晶体的Q可达104~ 106;前者Δf/f为10-5,后者可达10-10~10-11。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 电路 (1)并联型电路 (2)串联型电路 ① 石英晶体工作在哪个区? ② 是哪种典型的正弦波振荡 电路? ① 石英晶体工作在哪个区? ② 两级放大电路分别为哪种 基本接法? ③ C1的作用? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:改错,使电路有可能产生正弦波振荡 同名端对吗? 放大电路能放大吗? 各电容的作用? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论四 三个电路有什么相同之处?这样的电路形式有什么 好处? 同铭端?      U i  “判振”时的注意事项: 能产生正弦 波振荡吗? 1. 放大电路必须能够正常工作,放大电路的基本接法; 2. 断开反馈,在断开处加 f=f0的输入电压; 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压,是否能取代输入电压。 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §8.2 电压比较器 一、概述 二、单限比较器 三、滞回比较器 四、窗口比较器 五、集成电压比较器 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、概述 1. 电压比较器的功能:比较电压的大小。 输入电压是模拟信号;输出电压表示比较的结果,只有高 电平和低电平两种情况,为二值信号。使输出产生跃变的输 入电压称为阈值电压。 广泛用于各种报警电路。 2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO=f(uI) 电压传输特性的三个要素: (1)输出高电平UOH和输出低电平UOL (2)阈值电压UT (3)输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 几种常用的电压比较器 (1)单限比较器:只有一个阈值电压 (2)滞回比较器:具有滞回特性 输入电压的变化方向不同,阈值电压也不同,但输入电压 单调变化使输出电压只跃变一次。 回差电压: U  UT1 UT2 (3)窗口比较器: 有两个阈值电压,输入电压单调变化时输出电压跃变两次。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4、集成运放的非线性工作区 电路特征:集成运放处于开环或仅引入正反馈 无源网络 理想运放工作在非线性区的特点: 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时, uO=+UOM uP< uN时, uO=-UOM 5、教学基本要求 1)电路的识别及选用;2)电压传输特性的分析。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、单限比较器 1. 过零比较 器 (1)UT=0 (2)UOH=+ UOM, UOL=- UOM (3)uI > 0 时 uO =-UOM; uI < 0 时 uO =+ UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压,为保护集成运 放的输入级,需加输入端限幅电路。 必要吗? 二极管限幅电路使净输 入电压最大值为±UD 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求,输出端加限幅电路。 不可缺少! UOH= - UOL= UZ UOH=+ UZ1+ UD2 UOL=-( UZ2 + UD1) UOH= UZ UOL=- UD 为使UOL接近0, 锗管 怎么办? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 输出限幅电路 uO=± UZ (1)保护输入端 (2)加速集成运放状态的转换 电压比较器的分析方法: (1)写出 uP、uN的表达式,令uP= uN,求解出的 uI即为UT; (2)根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平; (3)根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出 电压的跃变方向。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 一般单限比较器 uN  R2 R1  R2 U REF  R1 R1  R2  uI 令uN  uP  0,得 UO  U Z 作用于反相输入端 UT   R2 R1 U REF U REF<0 (1)若要UT< 0,则应如何修改电路? (2)若要改变曲线跃变方向,则应如 何修改电路? (3)若要改变UOL、UOH呢? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、滞回比较器 1. 阈值电压 UOL  U Z UOH  U Z uN  uI uP  R1 R1  R2  uO , 令uN  uP,得 UT   R1 R1  R2 U Z 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 工作原理及电压传输特性 UT   R1 R1  R2 U Z UO  U Z 设uI<-UT,则 uN< uP, uO=+UZ。此时uP= +UT, 增大 uI,直至+UT,再增大, uO才从+UZ跃变为- UZ。 设 uI>+UT,则 uN> uP, uO=-UZ。此时uP= -UT, 减小 uI,直至-UT,再减小, uO才从-UZ跃变为+UZ。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一:如何改变滞回比较器的电压传输特性 向左右移多少? 1. 若要电压传输特性曲线左右移动,则应如何修改电路? 2. 若要电压传输特性曲线上下移动,则应如何修改电路? 3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的 跃变方向,则应如何修 改变输出 限幅电路 改电路? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、窗口比较器  U OM uI  U RH uI  U RL U OM U OM  U OM 当uI>URH时,uO1=- uO2= UOM,D1导通,D2截止; uO= UZ。 当uIUon ,则uO仅在大于Uon近似为uI,失真。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 精密整流电路的组成 uI  0 uI  0 为什么是 精密整流? 设R=Rf uI  0时,uO'  0,D1截止, D2导通,uO  uI。 uI  0时,uO'  0,D 截止, 2 D1导通,uO  0。 对于将二极管和晶体管作电子开关 的集成运放应用电路,在分析电路 时,首先应判断管子相当于开关闭合 还是断开,它们的状态往往决定于输 入信号或输出信号的极性。 半波整流,若加uI的负半周,则实现全波整流 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 全波精密整流电路 uI  0时,uO  uI。 uI  0时,uO  uI。 uO  uI 绝对值运算电路 uuOO11   2uI 0 (uI  0) (uI  0) uO  uO1  uI 二倍频三角波 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、u-f 转换电路(压控振荡器) 1. 电荷平衡式压控振荡器 电路的组成:由锯齿波发生电路演变而来。 电位器滑动端在最上端时: ≈T 若T2决定于外加电压,则电路的振荡频率就几乎仅 仅受控于外加电压,实现了u→f 的转换。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 1. 电荷平衡式压控振荡 器 R1 >>R5 UT UT   R2 R3 U Z UT UZ UT   1 R1C  uIT1  U T   1 R1C  uIT UT UZ f  1  R3  uI T1 2R1R2C U Z 单位时间内脉冲个数表示电压 若uI>0,则电路作何改动? 的数值,故实现A/D转换 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 复位式压控振荡 器 f  R1CuI U REF 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论:已知三极管饱和压降为0。 uO1 C R1 uI R2 A1 R3 uO2 R2 A2 R2 R2 R1 R4 T R1 =2R2 1. 晶体管什么情况下导通?什么情况下截止? 2. 晶体管饱和导通和截止uO1和uI的运算关系? 3. uI的极性? 4. uO1、 uO2的波形? 5. uI与振荡频率的关清系华大?学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第九章 功率放大电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第九章 功率放大电路 §9.1 概述 §9.2 互补输出级的分析计算 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §9.1 概述 一、功率放大电路研究的问题 二、对功率放大电路的要求 三、晶体管的工作方式 四、功率放大电路的种类 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、功率放大电路研究的问题 1. 性能指标:输出功率和效率。 若已知Uom,则可得Pom。 Pom  U 2 om RL 最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。 2. 分析方法:因大信号作用,故应采用图解法。 3. 晶体管的选用:根据极限参数选择晶体管。 在功放中,晶体管集电极或发射极电流的最大值接近 最大集电极电流ICM,管压降的最大值接近c-e反向击穿电 压U(BR)CEO, 集电极消耗功率的最大值接近集电极最大耗 散功率PCM 。称为工作在尽限状态。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、对功率放大电路的要求 1.输出功率尽可能大:即在电源电压一定的情况下,最 大不失真输出电压最大。 2. 效率尽可能高: 即电路损耗的直流功率尽可能小,静 态时功放管的集电极电流近似为0。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、晶体管的工作方式 1. 甲类方式:晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态 2. 乙类方式:晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态 3. 甲乙类方式:晶体管在信号的多半个周期处于导通状态 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、功率放大电路的种类 1. 变压器耦合功率放大电路 单管甲类电路 做功放适合吗? ① 输入信号增大,输出功率如何变化? 为什么管压降会 ② 输入信号增大,管子的平均电流如何变化? 大于电源电压? ③ 输入信号增大,电源提供的功率如何变化?效率如何变化? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 乙类推挽电路 iB  0 u BE  U om  VCC  U CES 2 信号的正半周T1导通、T2截止;负半周T2导通、T1截止。 两只管子交替工作,称为“ 推挽 ”。设 β为常量,则负载 上可获得正弦波。输入信号越大,电源提供的功率也越大。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. OTL 电路 因变压器耦合功放笨重、自身损耗大,故选用OTL电路。 输入电压的正半周: +VCC→T1→C→RL→地 + C 充电。  输入电压的负半周: C 的 “+”→T2→地→RL→ C “ -” C 放电。 静态时,uI UB UE   VCC 2 U om  (VCC 2) U CES 2 C 足够大,才能认为其对交流信号相当于短路。 OTL电路低频特性差。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. OCL电路 静态时,UEQ= UBQ=0。 输入电压的正半周: + +VCC→T1→RL→地  输入电压的负半周: 地→RL →T2 → -VCC U om  VCC  U CES 2 两只管子交替导通,两路电源交替供电,双向跟随。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. BTL 电路   ①是双端输入、双端输 出形式,输入信号、负  载电阻均无接地点。  ②管子多,损耗大,使 效率低。 输入电压的正半周:+VCC→ T1 → RL→ T4→地 输入电压的负半周:+VCC→ T2 → RL→ T3→地 U om  VCC  2U CES 2 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 几种电路的比较 变压器耦合乙类推挽:单电源供电,笨重,效率 低,低频特性差。 OTL电路:单电源供电,低频特性差。 OCL电路:双电源供电,效率高,低频特性好。 BTL电路:单电源供电,低频特性好;双端输入 双端输出。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §9.2 互补输出级的分析计算 一、输出功率 二、效率 三、晶体管的极限参数 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 求解输出功率和效率的方法 在已知RL的情况下,先求出Uom,则 然后求出电源的平均功率, Pom  U 2 om RL PV  IC(AV) VCC 效率   Pom PV 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、输出功率 U om  VCC  U CES 2 数值较大 不可忽略 Pom  (VCC U CES )2 2RL 大功率管的UCES常为2~3V。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、效率 Pom  (VCC U CES )2 2RL  PV  1 π πVCC 0  U CES RL  sin  t VCCd( t)  2  VCC (VCC UCES ) π RL 电源 电流   Pom  π  VCC U CES PV 4 VCC 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 晶体管的极限参数 iC max  VCC RL  ICM uCE max  2VCC  U CEO(BR) 在输出功率最大时,因管压降最小, 故管子损耗不大;输出功率最小时,因 集电极电流最小,故管子损耗也不大。 管压降 管子功耗与输出电压峰值的关系为 发射极电流  P T  1 2π π 0 (VCC  U OM sin  t)  UOM sin RL  t d t PT对UOM求导,并令其为0,可得 UOM  π2 VCC  0.6 VCC 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 将UOM代入PT的表达式,可得 PTmax  VC2C π2 RL 若U CES  0,则Pom  VC2C 2RL ,PTmax  2 π2  Pom U CES 0  0.2Pom U CES 0 因此,选择晶体管时,其极限参数  ICM  iC U CEO(BR) max  VCC RL  uCE max  2VCC    PCM  PT max  0.2  VC2C 2RL 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一 UA312馈...oum指说,最出明若大V图电为UCU输Co中路交i出2U放中流功C大是负E率1S0电否反和,RU路引馈8效Ri部入则L率R分了说LU的A,;级明o表uPmo间其达m 反反式U2馈馈;Ro2,组mL ,是态 直; π4流反UVCo馈Cm 还是交流反 4. 说明如何估算在输出最大功率时输入电压的有效值; 5. 说明D1~D3和RW的作用,C1~C4的作用; 6. 说明哪些元件构成过流保护电路及其原理。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:图示各电 路属于哪种功放? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:出现下列故障时,将产生什么现象? T2、T5的极限参数: PCM=1.5W,ICM=600mA,UBR(CEO)=40V。 1. R2短路; 2. R2断路; 3. D1短路; 4. D1断路; 5. T1集电极开路。 故障分析的问题,答案具有多样性,需多方面思考! 功放的故障问题,特别需要考虑故障的产生是否影响功 放管的安全工作! 清华大学 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第十章 直流电源 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 第十章 直流电源 §10.1 直流电源的组成 §10.2 单相整流电路 §10.3 滤波电路 §10.4 稳压管稳压电路 §10.5 串联型稳压电路 §10.6 开关型稳压电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §10.1 直流电源的组成 直流电源的组成及各部分的作用 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 直流电源的组成及各部分的作用 直流电源是能量转换电路,将220V(或380V)50Hz的 交流电转换为直流电。 改变电压值 通常为降压 半波整流 交流变脉 动的直流 全波整流 减小脉动 1) 负载变化输出电压 基本不变; 2) 电网电压变化输出 电压基本不变。 在分析电源电路时要特别考虑的两个问题:允许电网电 压波动±10%,且负载有一定的变化范围。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §10.2 单相整流电路 一、对整流电路要研究的问题 二、单相半波整流电路 三、单相桥式整流电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、对整流电路要研究的问题 1. 电路的工作原理:即二极管工作状态、电路波形的分 析 2. 输出电压和输出电流平均值:即输出脉动直流电压 和电流平均值的求解方法 3. 整流二极管的选择:即二极管承受的最大整流平均电 为流分和析最问高题反简向单工起作见电,压设的二分极析管为理想二极管,变压器内阻为0。 整流二极管的伏安特性: 理想化特性 理想二极管的正向导通 电压为0,即正向电阻为 0;反向电流为0,即反 向电阻为无穷大。 实际特性 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、单相半波整流电路 1. 工作原理   u2    u2    u2的正半周,D导通, A→D→RL→B,uO= u2 。 u2的负半周,D截止,承受反向电压,为u2; uO=0。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. UO(AV)和 IL(AV)的估算 已知变压器副边电压有效值为U2  U O(AV)  1 2π π 0 2U2 sin  td( t) U O(AV)  2U 2 π  0.45U 2 I L(AV)  U O(AV) RL  0.45U 2 RL (3)二极管的选择 U R max  2U 2 I D(AV)  I L(AV)  0.45U 2 RL 考虑到电网电压波动范围为 ±10%,二极管的极限参数应满 足:  I F   1.1 0.45U 2 RL UR  1.1 2U2 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、单相桥式整流电路 1. 工作原理 若接反了呢? u2   O   四只管子如何接? u2的正半周 A→D1→RL→D3→B,uO= u2 u2的负半周 B →D2→RL→D4→ A,uO= -u2 uO O 集成的桥式整流电 路称为整流堆。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 输出电压和电流平均值的估 算  U O(AV)  1 π π 0 2U2 sin  td( t) U O(AV)  2 2U 2 π  0.9U2 I L(AV)  U O(AV) RL  0.9U 2 RL 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 二极管的选择 U R max  2U 2 I D(AV)  I L(AV) 2  0.45U 2 RL 考虑到电网电压波动范围为 ±10%,二极管的极限参数应满 足:   I F   1.1 0.45U 2 RL UR  1.1 2U2 与半波整 流电路对 二极管的 要求相同 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §10.3 滤波电路 一、电容滤波电路 二、电感滤波电路 三、倍压整流电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、电容滤波电路 充电 放电速度与正弦 波下降速度相似 按指数规律下降 考虑整流电路的内阻 1. 当 u工2 作 u原C 时理,有一对二极管导通大,,对C放电越电容大越充,慢电R,,L越曲充大线电,非越τ常平越小滑。, 当 u2  uC 时,所有二极管均截止脉,动电越容小通。过RL放电, 放电  RLC。 滤波后,输出电压平均值增大,脉动变小。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 二极管的导通角 无滤波电容时θ=π。 有滤波电容时θ < π,且 二极管平均电流增大,故其 峰值很大! 导通角 脉动  C  RL   放电   U O(AV)    iD的峰值  θ小到一定程度,难于选择二极管! 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 电容的选择及UO(AV)的估算 整流桥的 简化画法 当RLC  (3~5) T 2 时,U O(AV)  1.2U 。 2 C的耐压值应大于1.1 2U 。 2 4. 优缺点 简单易行,UO(AV)高,C 足够大时交流分量较小; 不适于大电流负载。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、电感滤波电路 适于大电流负载!   RL   U  O(AV)  L  交流分量  当回路电流减小时,感生电动势的方向阻止电流的减小,从而 增大二极管的导通角。 电感对直流分量的电抗为线圈电阻,对交流分量的感抗为ωL。 直流分量:U O(AV)  RL R  RL U D(AV)  RL R  RL  0.9U 2 交流分量:uO(AC)  RL2 RL  ( L) 2  ud  RL L  ud 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、倍压整流电路       P 2 2U 2  2U 2 分析时的两个要点:设①负载开路,②电路进入稳态。 u2正半周C1充电:A→D1→C1→B,最终 UC1  2U 2 u2负半周,u2加C1上电压对C2充电:P→D2→C2→A,最终 UC2  2 2U 2 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论 已知变压器副边电压有效值为10V,电容足够大, 判断下列情况下输出电压平均值UO(AV)≈? 1. 正常工作; 2. C开路; 3. RL开路; 4. D1和C同时开路; 5. D1开路。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §10.2 稳压管稳压电路 一、稳压电路的性能指标 二、稳压管稳压电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、稳压电路的性能指标 1. 输出电压 2. 输出电流 3. 稳压系数 表明电网电压波动时电路的稳压性能。 在负载电流不变时,输出电压相对变化量与输入电压变 化量之比。 Sr  U O U I UO UI RL  U O U I  UI UO RL 4. 输出电阻 表明负载电流变化时电路的稳压性能。 在电网电压不变时,负载变化引起的输出电压的变化量 与输出电流的变化量之比。 Ro  U O I O UI 5. 纹波电压 测试出输出电压的交流分量。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、稳压管稳压电路 1. 稳压管的伏安特性和主要参数 伏安特性 符号 等效电路 稳定电压 UZ:稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ:使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM:允许的最大功率, PZM= IZM UZ 动态电阻 rz:工作在稳压状态时,rz=ΔU / ΔI 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 稳压管稳压电路的工作原理 UI UR UO IR  IDZ  IL 电网电压  U I  UO  (U Z )  IDZ  I R  U R  UO  若U I  U R,则U 基本不变。利用 O R上的电压变化补偿 U 的波动。 I   RL  UO  (U Z )  IDZ  IR  RL  IL  IR  若I D Z  I L,则U R基本不变,U 也就基本不变。 O 利用I D 的变化来补偿I Z 的变化。 L 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 稳压管稳压电路的主要指标 (1)输出电压 (2)输出电流 (3)稳压系数 UO=UZ IZmax- IZmin≤ IZM- IZ Sr  U O U I  UI UO RL  rz ∥ RL R  rz ∥ RL  UI UO  rz  U I R UO (4)输出电阻 Ro  rz ∥ R  rz 4. 特点 简单易行,稳压性能好。适用于输出电压固定、输出电 流变化范围较小的场合。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 5. 稳压管稳压电路的设 为减小Sr,取 计 (1)UI的选择 UI=(2~3)UZ 值矛盾! Sr  rz R  UI UO (2)稳压管的选择 UZ=UO IZM-IZ > ILmax- ILmin (3)限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。 I DZmin  I Z 且 I DZmax  I ZM 电网电压最低且负载电流最大时,稳压管的电流最小。 I DZ min  U Imin  U Z R  I Lmax  IZ R  U Imin U Z I Z  I Lmax 电网电压最高且负载电流最小时,稳压管的电流最大。 I DZ max  U Imax  U Z R  I Lmin  I ZM R  U Imax U Z I ZM  I Lmin 若求得R=200~300Ω,则该取接近200Ω还是接近300Ω?为什么? 若求得Rmin>Rmax,怎么办? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论:稳压管稳压电路的设计 已知输出电压为 6V,负载电流为0~ 30mA。试求图示电 路的参数。 依次选择稳压管、 UI、 R、 C、U2、二极管 1. 输出电压、负载电流→稳压管 2. 输出电压→UI 3. 输出电压、负载电流、稳压管电流、 UI →R 4. UI 、 R →滤波电路的等效负载电阻→C 5. UI → U2 6. U2、 R中电流→整流二极管 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §10.3 串联型稳压电路 一、基本调整管稳压电路 二、具有放大环节的串联型稳压电路 三、集成稳压器(三端稳压器) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、基本调整管稳压电路 为了使稳压管稳压电路输出大电流,需要加晶体管放大。 IL  (1  )IO UO  U Z U BE 稳压原理:电路引入电压负反馈,稳定输出电压。 不管什么原因引起UO变化,都将 通过UCE的调节使UO稳定,故称晶体 管为调整管。 若要提高电路的稳压性能, UO  U I UCE 则应加深电路的负反馈,即提 高放大电路的放大倍数。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、具有放大环节的串联型稳压电路     同相比例 运算电路 1. 稳压原理:若由于某种原因使UO增大 则 UO↑→ UN↑→ UB↓→ UO↓ 2. 输出电压的调节范围 R1  R2  R3 R2  R3 U Z UO  R1  R2 R3  R3 U Z 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 串联型稳压电路的基本组成及其作用 比较放大 取样电阻 调整管 基准电压 调整管:是电路的核 心,UCE随UI和负载 产生变化以稳定UO。 基准电压:是UO的 参考电压。 取样电阻: 对UO 的取样,与基准电压共同决定UO 。 比较放大:将UO 的取样电压与基准电压比较后放大,决定 电路的稳压性能。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 4. 串联型稳压电源中调整管的选择 根据极限参数ICM、 U(BR)CEO、PCM 选择调整管! 应考虑电网电压的波动和负载电流的变化! IEmax=IR1+ILmax≈ ILmax< ICM UCEmax=UImax- UOmin < U(BR)CEO PTmax= IEmax UCEmax < PCM 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论一:对于基本串联型稳压电源的讨论 1. 若UO为10V~20V,R1= R3=1kΩ,则R3和UZ各为多 少? 2. 若电网电压波动±10%, UO为10V~20V,UCES= 3V,UI至少选取多少伏? 3. 若电网电压0波.9U动2±>U1O0m%ax,+UUCEI为S 28V , UO为10V~20V ; 晶体管的电流放大系数为50,PCM=5W,ICM=1A;集成 运放最大输出电流为10mA,则最大负载电流约为多少? 应取几个极限值求出的负载电流最大值中最小的那个 作为电源的性能指标——最大负载电流 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论二:关于实用串联型稳压电源的讨论 输出电流 取样电阻 限流型过流 保护电路 I E max  U BE R0 1. 标出集成运放的同相输入端和反相输入端; 2. 电路由哪些部分组成? 3. UI=21V,R1= R2= R3=300Ω,UZ=6V, UCES=3V, UO=? 4. 如何选取R’和R? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:关于实用串联型稳压电源的讨论 其电流应大于调整电管路的可穿能透产电生流了自激振荡 5. 取样电阻的取值应大些还是小些,为什么?它们有上限值吗? 6. 若电路输出纹波电压很大,则其原因最大的可能性是什么? 7. 根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、集成稳压器(三端稳压器) 1. W7800系列 (1)简介 输出电压:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 输出电流:1.5A(W7800)、0.5A (W78M00)、0.1A (W78L00) 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn (2)基本应用 将输入端接整流滤波电路的输出,将输出端接负 载电阻,构成串类型稳压电路。 使Co不通过 稳压器放电 抵销长线电感效 应,消除自激振荡 消除高频噪声 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn (3) 输出电流扩展电路 为使负载电流大于三端稳压器的输出电流,可采 用射极输出器进行电流放大。 IL  (1  )(IO  IR ) 很小 UO  U ' O UD U BE 二极管的作用:消除 UBE对UO的影响。 若UBE= UD,则 UO  U ' O 三端稳压器的输出电压 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn (4)输出电压扩展电路 隔离作用 UO  (1  R2 R1 ) U ' O  I W R2 IW为几mA,UO与三端 稳压器参数有关。 基准电压 R1  R2  R3 R1  R2 U ' O  UO  R1  R2 R1  R3 U ' O 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 基准电压源三端稳压器 W117 输出电压UREF=1.25V,调整端电流只有几微安。 保护 稳压器 UO  (1  R2 R1 ) U REF 减小纹波电压 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论三:W117的应用 3V  UI-UO  40V 3mA  IO  1.5A 决定于IOmin 1. R1的上限值为多少? 2. UO可能的最大值为多少? 3. 输出电压最小值为多少? 两种情况:1.已知UI 2.自己选取UI 决定于W117的输出 4. UOmax=30V,选取R1、 R2; 根据输出电压表达式 5. 已知电网电压波动±10%,输出电压最大值为30V, UI 至少取多少伏? 输入电压最低、输出电压最高时, UImin-UOmax>3V。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn §10.4 开关型稳压电路 一、开关型稳压电路的特点和基本原理 二、串联开关型稳压电路 三、并联开关型稳压电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、开关型稳压电源的特点及基本原理 线性稳压电源:结构简单,调节方便,输出电压 稳定性强,纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态, 因而功耗大,效率低(20%~49%);需加散热器,因而 设备体积大,笨重,成本高。 若调整管工作在开关状态,则势必大大减小功耗,提高 效率,开关型稳压电源的效率可达70%~95%。体积小, 重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的 场合。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 构成开关型稳压电源的基本思路: AC→DC→AC→DC 将交流电经变压器、整流滤波得到直流电压 ↓ 控制调整管按一定频率开关,得到矩形波 ↓ 滤波,得到直流电压 引入负反馈,控制占空比,使输出电压稳定。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、串联开关型稳压电路 1. 电路组成及工作原理 T、D 均工作在开关状态。 uB=UH时 调整管 续流 滤波电路 二极管 uB=UL时 T饱和导通, D截止, uE≈ UI;L 储能,C 充电。 T截止, D导通, uE≈ -UD ;L 释放 能量,C 放电。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 波形分析及输出电压平均值 调整管 续流 滤波电路 二极管 UO  Ton T U I  Toff T  (U D )  UI 关键技术:大功率高频管,高质量磁性材料 稳压原理:若某种原因使输出电压升高,则应减小占空比。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 3. 稳压原理 脉冲宽度调制式:PWM电路作用: UO↑→ Ton↓→ δ↓→ UO ↓ 其它控制方式: 脉冲频率调制式: UO↑→ T↑(脉宽不变)→ δ↓→ UO ↓ 混合调制式: UO↑→ T↑ Ton ↓→ δ↓→ UO ↓ 在串联开关型稳压电路中 UO < UI,故为降压型电路。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、并联开关型稳压电路(升压型) 1. 工作原理 要研究调整管在饱和导通和 截止状态下电路的工作情况。 uB=UL时 uB=UH时 T饱和导通, L 储能, D截止,C 对负载放电。 T截止,L产生感生电 动势, D导通; UI与L所 产生的感生电动势相加对 C 充电。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 2. 输出电压 +- + - 只有L足够大,才能升 压;只有C足够大,输出电 压交流分量才足够小! 在周期不变的情况下,uB占空比越大,输出电压平均 值越高。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 讨论 1. 什么样的电子设备适于用开关型稳压电源作 能源? 2. 在开关型稳压电源中,调整管的开关信号频 率高些好还是低些好?为什么? 3. 在开关型稳压电源中是否可不用电源变压器 而直接进行整流?为什么? 4. 如何使开关型稳压电路输出电压有较小的调 节范围? 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 复习与考试 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 复习与考试 一、考查什么 二、复习什么 三、怎样复习 四、复习举例:集成运放应用电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 一、考查什么 • 会看:电路的识别、定性分析。 – 如是哪种电路: • 共射、共基、共集、共源、共漏、差分放大电路及哪种接法 • 引入了什么反馈 • 比例、加减、积分、微分……运算电路 • 低通、高通、带通、带阻有源滤波器 • 单限、滞回、窗口电压比较器 • 正弦波、矩形波、三角波、锯齿波发生电路 • OTL、OCL、BTL、变压器耦合乙类推挽功率放大电路 • 线性、开关型直流稳压电源…… – 又如性能如何: • 放大倍数的大小、输入电阻的高低、带负载能力的强弱、频 带的宽窄 • 引入负反馈后电路是否稳定 • 输出功率的大小、效率的高低 • 滤波效果的好坏 • 稳压性能的好坏…… 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 会算:电路的定量分析。 – 例如求解 • 电压放大倍数、输入电阻、输出电阻 • 截止频率、波特图 • 深度负反馈条件下的放大倍数 • 运算关系 • 电压传输特性 • 输出电压波形及其频率和幅值 • 输出功率及效率 • 输出电压的平均值、可调范围 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 会选:根据需求选择电路及元器件 – 在已知需求情况下选择电路形式,例如: • 是采用单管放大电路还是采用多级放大电路;是直接耦 合、阻容耦合、变压器耦合还是光电耦合;是晶体管放 大电路还是场效应管放大电路;是否用集成放大电路。 • 是采用电压串联负反馈电路、电压并联负反馈电路、电 流串联负反馈电路还是采用电流并联负反馈电路。 • 是采用文氏桥振荡电路、LC正弦波振荡电路还是采用 石英晶体正弦波振荡电路。 • 是采用OTL、OCL、BTL电路还是变压器耦合乙类推挽 电路 • 是采用电容滤波还是电感滤波 • 是采用稳压管稳压电路还是串联型稳压电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 会选:根据需求选择电路及元器件 – 在已知功能情况下选择元器件类型,例如: • 是采用低频管还是高频管。 • 是采用通用型集成运放还是采用高精度型、高阻型、 低功耗……集成运放。 • 采用哪种类型的电阻、电位器和电容 – 在已知指标情况下选择元器件的参数 • 电路中所有电阻、电容、电感等的数值;半导体器件 的参数,如稳压管的稳定电压和耗散功率,晶体管的 极限参数等。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 会选:根据需求选择电路及元器件 – 例如:实现下列电路 • 组成放大倍数大于104、输入电阻大于2MΩ、输出电 阻小于100Ω、可以放大缓慢变化信号的放大电路 • 实现三路信号的加法运算 • 将直流信号转换成频率与之幅值成线性关系的矩形波 信号 • 取掉信号中的直流成分 • 将正弦波变为方波 • 产生100kHz的正弦波 • 产生10MHz的正弦波 • 输出电压为10~20V负载电流为3A的直流稳压电源 • …… 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 会调: – 电路调试的方法及步骤。 – 调整电路性能指标应改变哪些元件参数、如何改变。 – 电路故障的判断和消除。 – 例如 • 调整放大器的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻 的方法与步骤 • 调整三角波振荡电路的振荡频率和幅值达到预定值 的方法和步骤 • 电路中某元件断路或短路将产生什么现象。 • 电路出现异常情况可能的原因。 • …… 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 二、复习什么 • 以基本概念、基本电路、基本分析方法为主线 • 概念和性能指标:每个术语的物理意义,如何应用。 • 基本电路:电路结构特征、性能特点、基本功能、适用 场合,这是读图的基础。见表11.2.1 – 基本放大电路 – 集成运放 – 运算电路 – 有源滤波电路 – 正弦波振荡电路 – 电压比较器 – 非正弦波振荡电路 – 信号变换电路 – 功率放大电路 – 直流电源 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn • 基本分析方法 通常,不同类型的电路采用不同的方式来描述其功 能和性能指标,不同类型电路的指标参数有不同的求 解方法。即正确识别电路,并求解电路 – 例如 • 放大电路用放大倍数、输入电阻、输出电阻和通频带描述 • 运算电路用运算关系式描述 • 电压比较器用电压传输特性描述 • 有源滤波器用幅频特性描述 • 功率放大电路用最大输出功率和效率描述 • 波形发生电路用输出电压波形及其周期和振幅描述 – 例如 • 求解放大电路的参数用等效电路法 • 求解运算电路要利用节点电流法、叠加原理 • 求解电压比较器的电压传输特性要求解三要素 • 见11.2.2节 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 三、怎样复习 • 重点是基础知识:基本概念、电路、方法 • 识别电路是正确分析电路的基础 • 特别注意基础知识的综合应用,融会贯通。例如: – 非正弦波发生电路既含有运算电路(积分电路)又含有电压比较 器(滞回比较器),即既包含集成运放工作在线性区的电路又包 含集成运放工作在非线性区的电路。 – 功率放大电路需要和前级电路匹配才能输出最大功率,且为了消 除非线性失真通常要引入负反馈。因此,实用功放涉及到放大的 概念、放大电路的耦合问题、反馈的判断和估算、自激振荡和消 振、功放的输出功率和效率。 – 串联型稳压电源本身既是一个负反馈系统,又是大功率电路,还 要考虑电网电压的影响。 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn 四、复习举例: 集成运放应用电路 虚短、虚断 引入负反馈 比例同反相相 运算电路积加分减 微分 对数 指数 集成运放 模拟乘法器 乘除、乘 方、开方 有源滤波器带低通通、、带高阻通 加RC串并联网络  文氏桥振荡电路 三角波、锯齿波发生电路 压控振荡器 注意知识之间 的相互关联! 功放的前级放大电 路,串联型稳压电 源的比较放大电路 引正反馈或开环 虚断,输出不是 UOH就是UOL 单限比较器 电压比较器滞回比较器 窗口比较器 加RC回路  矩形波发生电路 华成英 hchya@tsinghua.edu.cn

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